開關(guān)電源功率因數(shù)校正的DSP實現(xiàn)
摘要:介紹了用TI公司的TMS320LF2407A實現(xiàn)開關(guān)電源功率因數(shù)調(diào)整(PFC)的原理,算法以及較為詳細(xì)的實現(xiàn)步驟,最后給出了實驗結(jié)果。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/151019.htm關(guān)鍵詞:數(shù)字信號處理器;功率因數(shù)校正;開關(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
隨著對高功率因數(shù)的變換器的需求不斷增長,功率因數(shù)為1(unity power factor)的電源供給越來越受到歡迎。在計算機(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:可以實現(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,數(shù)字控制也意味著相對較高的費用和一定的控制帶寬限制。過去,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,由于高效廉價的DSP的出現(xiàn),數(shù)字控制不僅在交流驅(qū)動(ACdrives)和三相變換方面應(yīng)用越來越廣泛,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)動組成??刂频哪繕?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,控制電路對輸入電壓采樣,采樣信號作為乘法器的一個輸入;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。采樣輸入電流,和這個基準(zhǔn)比較,經(jīng)誤差放大后輸入PWM比較器,PWM輸出驅(qū)動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)和控制方式無關(guān)。如果要通過電壓回路消除輸出電壓的紋波,就必然會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,很難實現(xiàn)精確的濾波。所以對于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)別就是用兩個數(shù)字的比例積分控制器(PI)Ki、Kv代替了原來的兩個誤差放大器。另外,在電壓PI的輸出端加了一個陷波濾波器,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,三個信號被采樣,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是,我們可以編程實現(xiàn)總是在開關(guān)閉合的中間時間對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為積分時間常數(shù)。
PI系數(shù)的整定常常通過實驗來確定,或通過湊試,或者通過經(jīng)驗公式來確定。這方面的內(nèi)容一般的計算機(jī)控制系統(tǒng)類的書上都有介紹。
陷波濾波器的設(shè)計可參照公式(4)
(4)
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