利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正(04-100)

　　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(chēng)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。