高功率因素开关电源的数字化控制方案

【摘要】该文介绍了基于DSP的功率因素校正开关电源的一种数字化实现方案，提出了一种数字电源的系统结构，分析了系统的总体性能，设计了各模块的实现方案。对功率因素校正的工作原理、实现方案及部分程序做了具体分析。通过Matlab的仿真与样机的测试，实验结果与仿真结果显示该方案实现了较高的功率因素和稳定的输出。

【关键词】功率因素校正；高功率因素；数控开关电源

1.引言

传统的功率因数校正技术采用的是模拟控制系统，经过多年的研究与实践，其技术已十分成熟。但模拟控制系统具有许多不可克服的缺点，电路比较复杂适应性差、容易受到噪声的干扰、调试不便，而且元件有老化、温漂等现象，导致性能下降[1]。随着数字控制技术的不断发展，高速度廉价的数字信号处理器DSP的出现，控制策略更多的需要通过数字信号处理器加以实现，在功率因数校正中使用数字控制已成为发展的趋势[2，3]。本文提出了一种DSP作为控制器实现较高功率因素的一种方案，克服了模拟控制系统的不足，能灵活采用控制策略，可与后级DC—DC模块共用控制器。

2.功率因素和总谐波畸变

常用的开关电源前级都是整流与大电容滤波电路的这种非线性元件和储能元件的组合，虽然输入交流市电电压是正弦的，但输入交流电流发生了严重的畸变，其可分解为多次谐波电流，谐波的丰富程度可用总谐波畸变来表示：

3.系统结构

该开关电源系统由主电路和DSP控制电路构成，主电路包括EMI滤波、工频整流、PFC转换器和DC—DC变换模块。DSP控制的PFC转换器实现功率因素的校正之后实现电流基本跟随电压的变化，输出到DSP控制的DC—DC变换器产生满足各项指标的直流输出，从而实现具有高功率因素的开关电源，如图1所示。

在本方案中DSP器件具有控制PFC转换器和DC—DC变换器的双重任务，为此需要具有大量具有较高速度的A/D转换通道和一定数据处理能力的DSP器件，所以选择了美国TI公司的TMS320F2812作为电路的主控芯片。

对于PFC电路的结构选择的是平均电流控制法的Boost拓扑结构。从原理上来讲，任何一种DC—DC PWM转换器主电路都可以用作PFC转换器的主电路，但由于Boost转换器的一些特殊优点，如输入端有大电感，输入电流可以连续，电路简单高效等，使得其应用最为广泛。PFC转换器一般需要采用电流型控制，CCM模式下主要有峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制等。因为平均电流控制法具有较小的THD、对噪声不敏感、电感电流峰值与平均值之间的误差小等优点，所以本方案中采用平均电流型控制。

4.平均电流PFC实现方案

基于TMS320F2812控制的功率因数校正电路所示。系统的主电路采用的是Boost型拓扑结构，系统输入电流即为电感电流，采用的是平均电流控制模式，最终可以得到接近正弦的输入电流波形。为了实现控制策略，系统需检测以下3个量：整流输入电压、输入电感电流、直流输出电压。经过信号调理电路送至DSP的3路AD采样通道：ADCIN0、ADCIN1、ADCIN2进行采样并送入DSP内部处理[5]。

经过数字化采样后的信号与输出参考电压信号进行比较，信号差送入电压外环的PI调节器。该环节传递函数G的输出与信号的采样值相乘，生成电流内环所必需的参考电流值。输入电感电流经数字化采样后与参考电流进行比较，差值送入电流内环PI调节器。该PI调节器的输出送入PWM比较器，与三角波信号比较产生开关信号的占空比，最后通过驱动电路产生驱动信号控制开关管的通断，实现电路的功率因数校正。整个DSP处理过程的建模如图3所示。

利用TMS320F2812产生PWM波形，因为在此DC—DC模块里只需要产生1路PWM波形，所以只需采用事件管理器EVA的通用定时比较器T1采用连续增计数模式就足够了。PWM的频率为：

PFC部分的程序流程为主程序在开机或复位后，首先是系统的初始化，包括系统初始化、变量的初始化、事件管理器A初始化以及中断初始化。中断程序主要完成输入整流电压、电感电流、输出电压3个模拟信号的采样，进行A/D转换，然后完成电压环路的PI调节，电压环输出与整流电压采样值的乘积作为参考电流送入电流环PI调节，然后根据电流环输出计算比较寄存器值和占空比，产生PWM信号控制开关管。

6.结束语

本方案使用DSP芯片作为控制器，采用平均电流控制的Boost转换器，进行了DSP内部建模设计，而且能同时实现PFC滤波和DC—DC变换的双重功能。DSP硬件部分主要实现了采样和产生有效PWM波形的任务。软件部分则实现对采样数据的处理和PI算法等。通过Matlab的仿真与样机的测试，实验结果显示该方案实现了较高的功率因素和稳定的输出。

参考文献

[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004：98—106.

[2]刘小光，尹华杰.功率因数校正的数字控制方法[J].电源技术应用，2004，7（2）：66—71.

[3]毛兴武，祝大卫.电子整流器原理与制作[M].北京：人民邮电出版社，1999：15—34.

[4]路秋生.有源功率因素校正及应用[J].核工业自动化，2001（2）：26—32.

[5]Karaarslan，A，Iskender，I.A DSP based power factor correction converter to reduce total harmonic distortion of input current for improvement of power quality[J].Electrical Engineering，2011，23（4）：247—257.

[6]刘凤君.现代高频开关电源技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2008：410—422.

作者简介：黄博（1988—），男，重庆人，硕士研究生，现就读于杭州电子科技大学。