利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正

隨著現(xiàn)代家用電器開(kāi)始采用變速感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，有源功率因素校正（APFC）電路變得非常重要。這些電機(jī)工作時(shí)需要使用大容量直流電源供電的多相逆變器。盡管利用簡(jiǎn)單的二極管整流橋和電容就可以產(chǎn)生小型電機(jī)所需要的直流電壓，但這種方法用于較大的電機(jī)時(shí)會(huì)在電源線上產(chǎn)生大電流諧波。多數(shù)新電器都需要利用APFC電路來(lái)滿足IEC 61000-3-2對(duì)電流諧波的要求。此類(lèi)APFC電路還使得功率因數(shù)可接近于1，從而大大降低從交流電源線上吸取的電流有效值（RMS）。
利用單片機(jī)作為APFC控制器使設(shè)計(jì)人員可獲得出色的功率因數(shù)性能與較低的電流諧波失真。此外，單片機(jī)還提供了生產(chǎn)的可行性和設(shè)計(jì)的靈活性，同時(shí)還使產(chǎn)品具有高級(jí)智能特性。

單片機(jī)方法的優(yōu)點(diǎn)
采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)APFC電路要比采用獨(dú)立的專(zhuān)用芯片解決方案復(fù)雜一些。設(shè)計(jì)人員必須編寫(xiě)單片機(jī)程序來(lái)初始化單片機(jī)外設(shè)并實(shí)現(xiàn)控制算法。最明顯的影響就是開(kāi)發(fā)時(shí)間變長(zhǎng)，因此也意味著開(kāi)發(fā)成本更高。然而，基于單片機(jī)的解決方案確實(shí)具有一些突出的優(yōu)點(diǎn)。
制造靈活性
第一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是制造靈活性。單片機(jī)允許一個(gè)設(shè)計(jì)用于多種產(chǎn)品。在生產(chǎn)線的最后環(huán)節(jié)，產(chǎn)品硬件組裝完成后，可將各產(chǎn)品的軟件代碼燒入到單片機(jī)中。
監(jiān)控復(fù)雜情況
單片機(jī)還能夠監(jiān)控復(fù)雜情況，并實(shí)現(xiàn)高級(jí)安全功能，而這在純模擬解決方案中是很難實(shí)現(xiàn)的。例如，如果設(shè)計(jì)中有溫度傳感器，那么就可以通過(guò)溫度函數(shù)實(shí)現(xiàn)可編程電流或功率限制。
數(shù)字通信
盡管目前的大多數(shù)電器并不需要通訊能力，但未來(lái)的電器可能需要APFC電路具備與其它系統(tǒng)通訊的能力。使用單片機(jī)可方便地提供這一功能。

APFC電路
APFC電路在輸出端有一組電容器。這組電容器作為電量存儲(chǔ)器提供負(fù)載所需要的瞬時(shí)電流。此電路的電源來(lái)自交流電源線，從而保證存儲(chǔ)電容器以恒定的平均電壓充電。APFC控制器對(duì)從交流電源線輸入的電流進(jìn)行整形，從而保持功率因數(shù)最大，并使諧波成分盡可能小。對(duì)于設(shè)計(jì)正確的電路，APFC電路對(duì)于交流電源來(lái)說(shuō)就像一個(gè)理想電阻。
圖1  APFC電路的簡(jiǎn)化框圖。
圖1中升壓轉(zhuǎn)換器電路可產(chǎn)生直流輸出電壓VOUT，VOUT通常在360至400 VDC。在該應(yīng)用中，升壓轉(zhuǎn)換器的輸入是交流電壓經(jīng)過(guò)二極管整流橋BR1整流后的輸出。通常采用的通用單相APFC電路可接受88至230 VAC的輸入電壓范圍。
在二極管整流橋BR1和升壓轉(zhuǎn)換器電路之間由一個(gè)電流傳感器相連。傳感器的輸出電壓VIL與升壓轉(zhuǎn)換器線圈中的電流成正比。
一個(gè)脈寬調(diào)制器（PWM）發(fā)生器發(fā)送脈沖到升壓變換器，后者生成與PWM脈沖同步的鋸齒波形。這一波形再送到PWM比較器的反向輸入端。比較器的非反向輸入端連接誤差放大器的輸出。誤差放大器通常包括環(huán)路補(bǔ)償功能。當(dāng)斜坡上升的鋸齒波信號(hào)超過(guò)誤差放大器的輸出電壓時(shí)，中止PWM脈沖。這樣，PWM的占空比將根據(jù)誤差放大器的電壓而變化。
通過(guò)測(cè)量電流傳感器輸出和來(lái)自數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的目標(biāo)電壓間的差別，誤差放大器控制著電流環(huán)。如果輸出電流太低，將使誤差信號(hào)變大，引起PWM占空比增加。因此，線圈電流增加，從而使電流傳感器輸出接近目標(biāo)電壓。相反，如果輸出電流太高，誤差信號(hào)和PWM占空比將減小，從而使輸出電流下降。這一過(guò)程使得誤差放大器、PWM比較器、PWM發(fā)生器和升壓變壓器對(duì)于二極管整流橋BR1就像一個(gè)電壓可編程的電流源。由于誤差放大器控制著線圈平均電流，從而也控制著升壓轉(zhuǎn)換器輸入電流，因此這種控制環(huán)在電源行業(yè)通常被稱為平均電流控制。
DAC作為可編程分壓計(jì)將輸入到其參考電壓輸入端的整流交流波形按比例縮小。DAC的輸出電壓是整流后交流波形和輸入到DAC的數(shù)字碼的乘積。當(dāng)數(shù)字碼增加時(shí)，DAC的比例系數(shù)也增加。DAC的這一乘法效應(yīng)對(duì)于APFC電路非常關(guān)鍵，因?yàn)樯龎恨D(zhuǎn)換器電流就是利用它來(lái)調(diào)整的。
由于DAC輸出用做驅(qū)動(dòng)PWM比較器的目標(biāo)電壓，因此升壓轉(zhuǎn)換器電流將與整流AC電壓波形一樣。理論上，在二極管整流橋BR1的輸入端，電流和電壓波形是完全一樣的，兩者完全同相，從而使功率因數(shù)等于1。然而，在實(shí)際電路中，由于各元器件的非線性，電流波形可能在接近過(guò)零點(diǎn)的地方有些失真并存在一些諧波失真。在低負(fù)載時(shí)，這些失真更為突出。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，波形的失真與電流幅值相比通常很小，因此對(duì)于總體的功率因數(shù)數(shù)值沒(méi)有明顯的影響。
為控制APFC輸出電壓，本例中的單片機(jī)利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）讀取APFC輸出電壓VOUT，計(jì)算誤差并執(zhí)行比例積分微分（PID）算法。然后，PID計(jì)算的結(jié)果被寫(xiě)入DAC。例如，如果輸出電壓與預(yù)期相比太低，那么PID計(jì)算結(jié)果將變大，從而使DAC比例因數(shù)也變大。這一效應(yīng)將導(dǎo)致升壓轉(zhuǎn)換器輸出電流增加。因此，輸出電壓VOUT也將增加，從而使電壓誤差變小。

單片機(jī)選擇
本例中選用的PIC16C782 8位單片機(jī)是第一個(gè)提供了合適的混合信號(hào)外設(shè)的單片機(jī)產(chǎn)品之一，從而可在硬件中實(shí)現(xiàn)PWM閉環(huán)控制。不久將推出的PICmicro(r) 單片機(jī)還將提供增強(qiáng)型捕捉/比較/PWM（ECCP）外設(shè)，可以與模擬比較器配合實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)硬件閉環(huán)控制。

測(cè)試數(shù)據(jù)
在實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)APFC原型電路在420W和130W兩種負(fù)載條件下進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)量得到的功率因數(shù)分別為0.996和0.963。
兩種負(fù)載條件下的電壓和電流波形圖見(jiàn)圖2和圖3。在電流波形中，顯示出少量噪聲，但不影響APFC工作。通過(guò)一些額外的設(shè)計(jì)考慮可以消除這一噪聲。
圖2  420W負(fù)載時(shí)的電壓和電流波形(PF=0.996)
圖3  130W負(fù)載時(shí)的電壓和電流波形(PF=0.963)
圖4和圖5分別給出了420W負(fù)載情況下有APFC電路和沒(méi)有APFC電路時(shí)的電流波形的諧波情況。因?yàn)樵S多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電器都屬于IEC 61000-3-2規(guī)定中的A類(lèi)設(shè)備，因此在圖中以同樣的比例給出了A類(lèi)設(shè)備的電流諧波限制，以便于比較。請(qǐng)注意，沒(méi)有采用APFC電路的情況下，電流諧波已經(jīng)超出了IEC 61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的要求。
圖4  420W負(fù)載時(shí)的電流諧波(有APFC電路)
圖5  420W時(shí)的電流諧波(無(wú)APFC電路)