開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)校正的DSP實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了用TI公司的TMS320LF2407A實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)調(diào)整（PFC）的原理，算法以及較為詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)步驟，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器；功率因數(shù)校正；開(kāi)關(guān)電源

A DSP Solution for Power Factor Correction of Switching Power Supply

LI Bing, LIN Guo-shu

Abstract:A DSP based solution for power factor correction of switching power supply is introduced.The principle, algorithm and detailed implementation are discussed . At last, experiment results are provided.

Keywords:DSP; Power factor correction(PFC); Switching power supply

1 引言

隨著對(duì)高功率因數(shù)的變換器的需求不斷增長(zhǎng)，功率因數(shù)為1（unity power factor）的電源供給越來(lái)越受到歡迎。在計(jì)算機(jī)或其它一些設(shè)備上，電源要求魯棒性好、可靠、抗干擾能力強(qiáng)。而數(shù)字控制正提供了這方面的保障。

和傳統(tǒng)模擬控制器相比，數(shù)字控制器具有以下這些優(yōu)點(diǎn):可以實(shí)現(xiàn)非線性的精細(xì)的控制算法，減少元器件數(shù)量,提高可靠性,不易老化,很小的控制偏差和熱漂移。但同時(shí),數(shù)字控制也意味著相對(duì)較高的費(fèi)用和一定的控制帶寬限制。過(guò)去,這些不足在很大程度上限制了數(shù)字控制在電源方面的應(yīng)用。而現(xiàn)在，由于高效廉價(jià)的DSP的出現(xiàn)，數(shù)字控制不僅在交流驅(qū)動(dòng)（ACdrives）和三相變換方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而且在DC/DC變換領(lǐng)域也成為一種可行方案。本文將討論DSP在單相開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)校正方面的應(yīng)用。

2 傳統(tǒng)的模擬PFC電路簡(jiǎn)介

模擬PFC電路已經(jīng)有了多年的應(yīng)用，并且推出了一些商用的IC芯片，例如TI公司的UC3854等。

圖1所示的就是功率因數(shù)校正的基本原理。PFC控制電路主要由電壓誤差放大器、電流誤差放大器、乘法器和PWM驅(qū)動(dòng)組成。控制的目標(biāo)是使輸入電流緊跟輸入電壓的變化，并使輸出紋波盡可能地小。為了使輸入電流跟隨輸入電壓變化，控制電路對(duì)輸入電壓采樣，采樣信號(hào)作為乘法器的一個(gè)輸入；為了保持輸入電壓穩(wěn)定，輸出電壓經(jīng)分壓、比較和誤差放大后作為乘法器的另一個(gè)輸入,于是乘法器的輸出具有輸入電壓的形狀，且其幅度由輸出電壓控制。乘法器的輸出作為輸入電流的基準(zhǔn)信號(hào)。采樣輸入電流，和這個(gè)基準(zhǔn)比較，經(jīng)誤差放大后輸入PWM比較器，PWM輸出驅(qū)動(dòng)波形控制變換器工作。閉環(huán)反饋控制的結(jié)果使輸入電流的平均值與輸入電壓成正比，從而達(dá)到較高的功率因數(shù)。

圖1 功率因數(shù)校正原理

PFC變換器的輸出中含有二次諧波的紋波電壓，

|ΔVo(t)|= （1）

這與變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式無(wú)關(guān)。如果要通過(guò)電壓回路消除輸出電壓的紋波，就必然會(huì)損壞輸入電流的波形，從而降低功率因數(shù)。而引入模擬濾波電路

的話，又會(huì)引入不良的相位影響,而且由于模擬元件參數(shù)離散性大、易老化和熱漂移等因素，很難實(shí)現(xiàn)精確的濾波。所以對(duì)于50Hz的工頻輸入，電壓回路的帶寬一般都只選在10～20Hz。

3 數(shù)字控制的PFC模型

如圖2所示是Boost電路PFC的數(shù)字化模型。該模型的控制原理與前面所述的模擬電路是一致的。區(qū)別就是用兩個(gè)數(shù)字的比例積分控制器（PI）Ki、Kv代替了原來(lái)的兩個(gè)誤差放大器。另外，在電壓PI的輸出端加了一個(gè)陷波濾波器，濾波頻率為100Hz。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波可以很好地減少100Hz的諧波成分，同時(shí)引入的相位影響卻要小得多。

圖2 數(shù)字控制的PFC模型

這樣，就可以提高電壓回路的帶寬，繼而提高電路的反應(yīng)速度。

如圖2所示，三個(gè)信號(hào)被采樣，分別是輸出電壓Vo，輸入電流Is，輸入電壓Vi′。其中值得注意的一點(diǎn)是，我們可以編程實(shí)現(xiàn)總是在開(kāi)關(guān)閉合的中間時(shí)間對(duì)Is采樣，從而不需要另加低通濾波就可以獲得Is的平均值。

接下來(lái)我們分別建立PI控制器和陷波濾波器的數(shù)字模型。PI控制算法的模擬表達(dá)式為

V(t)=Kp （2）

對(duì)式（2）進(jìn)行離散化處理，得到

V(n)=Kp[e(n)－e(n－1)]＋Ki·e(n)＋V(n－1) (3)

式中：Kp為比例系數(shù)；

Ki=Kp為積分系數(shù)，T為采樣周期，Ti為積分時(shí)間常數(shù)。

PI系數(shù)的整定常常通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，或通過(guò)湊試，或者通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定。這方面的內(nèi)容一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)類的書(shū)上都有介紹。

陷波濾波器的設(shè)計(jì)可參照公式(4)

（4）