| 摘 要 ： 介 绍 了 用 TI公 司 的 TMS320LF2407A实 现 开 关 电 源 功 率 因 数 调 整 （ PFC） 的 原 理 ， 算 法 以 及较 为 详 细 的 实 现 步 骤 ， 最 后 给 出 了 实 验 结 果 。
关键词 ： 数 字 信 号 处 理 器 ； 功 率 因 数 校 正 ； 开 关 电 源 1 引 言
随 着 对 高 功率 因 数 的 变 换 器 的 需 求 不 断 增 长 ， 功 率 因 数 为 1（ unity power factor） 的 电 源 供 给 越 来 越 受到 欢 迎 。 在 计 算 机 或 其 它 一 些 设 备 上 ， 电 源 要 求 鲁 棒 性 好 、 可 靠 、 抗 干 扰 能 力 强 。 而 数 字 控制 正 提 供 了 这 方 面 的 保 障 。
和 传 统 模 拟 控 制 器 相 比 ， 数 字 控 制 器 具 有 以 下 这 些 优 点 :可 以 实 现 非 线性 的 精 细 的 控 制 算 法 ， 减 少 元 器 件 数 量 ,提 高 可 靠 性 ,不 易 老 化 ,很 小 的 控 制 偏 差 和 热 漂 移 。 但同 时 ,数 字 控 制 也 意 味 着 相 对 较 高 的 费 用 和 一 定 的 控 制 带 宽 限 制 。 过 去 ,这 些 不 足 在 很 大 程 度上 限 制 了 数 字 控 制 在 电 源 方 面 的 应 用 。 而 现 在 ， 由 于 高 效 廉 价 的 DSP的 出 现 ， 数 字 控 制 不 仅 在交 流 驱 动 （ AC drives） 和 三 相 变 换 方 面 应 用 越 来 越 广 泛 ， 而 且 在 DC/DC变 换 领 域 也 成 为 一 种可 行 方 案 。 本 文 将 讨 论 DSP在 单 相 开 关 电 源 功 率 因 数 校 正 方 面 的 应 用 。
2 传 统 的 模 拟 PFC电 路 简 介
模 拟 PFC电 路 已 经 有 了 多 年 的 应 用 ， 并 且 推 出 了 一 些 商 用 的 IC芯 片， 例 如 TI公 司 的 UC3854等 。
图 1所 示 的 就 是 功 率 因 数 校 正 的 基 本 原 理 。 PFC控 制 电 路 主 要 由 电 压 误 差放 大 器 、 电 流 误 差 放 大 器 、 乘 法 器 和 PWM驱 动 组 成 。 控 制 的 目 标 是 使 输 入 电 流 紧 跟 输 入 电 压 的变 化 ， 并 使 输 出 纹 波 尽 可 能 地 小 。 为 了 使 输 入 电 流 跟 随 输 入 电 压 变 化 ， 控 制 电 路 对 输 入 电 压采 样 ， 采 样 信 号 作 为 乘 法 器 的 一 个 输 入 ； 为 了 保 持 输 入 电 压 稳 定 ， 输 出 电 压 经 分 压 、 比 较 和误 差 放 大 后 作 为 乘 法 器 的 另 一 个 输 入 ,于 是 乘 法 器 的 输 出 具 有 输 入 电 压 的 形 状 ， 且 其 幅 度 由 输出 电 压 控 制 。 乘 法 器 的 输 出 作 为 输 入 电 流 的 基 准 信 号 。 采 样 输 入 电 流 ， 和 这 个 基 准 比 较 ， 经误 差 放 大 后 输 入 PWM比 较 器 ， PWM输 出 驱 动 波 形 控 制 变 换 器 工 作 。 闭 环 反 馈 控 制 的 结 果 使 输 入电 流 的 平 均 值 与 输 入 电 压 成 正 比 ， 从 而 达 到 较 高 的 功 率 因 数 。
PFC变 换 器 的 输 出 中 含 有 二 次 谐 波 的 纹 波 电 压 。 这 与 变 换 器 的 拓 扑 结 构 和 控 制 方 式 无 关 。 如 果 要 通 过 电 压 回 路 消 除 输 出 电 压 的 纹 波 ， 就 必 然 会 损 坏 输 入 电 流 的 波 形 ， 从 而 降 低 功 率 因 数 。 而 引 入 模 拟 滤 波 电 路 的 话 ， 又 会 引 入 不 良 的 相 位 影 响 ,而 且 由 于 模 拟 元 件 参 数 离 散 性 大 、 易 老 化 和 热 漂 移 等 因 素 ， 很 难 实 现 精 确 的 滤 波 。 所 以 对 于 50 Hz的 工 频 输 入 ， 电 压 回 路 的 带 宽 一 般 都 只 选 在 10～ 20 Hz。 3 数 字 控 制 的 PFC模 型
如 图 2所 示是 Boost电 路 PFC的 数 字 化 模 型 。 该 模 型 的 控 制 原 理 与 前 面 所 述 的 模 拟 电 路 是 一 致 的 。 区 别 就是 用 两 个 数 字 的 比 例 积 分 控 制 器 （ PI） Ki、 Kv代 替 了 原 来 的 两 个 误 差 放 大 器 。 另 外 ， 在 电 压 PI的 输 出 端 加 了 一 个 陷 波 滤 波 器 ， 滤 波 频 率 为 100 Hz。 与 模 拟 滤 波 器 相 比 ， 数 字 滤 波 可 以 很好 地 减 少 100 Hz的 谐 波 成 分 ， 同 时 引 入 的 相 位 影 响 却 要 小 得 多 。 这 样 ， 就 可 以 提 高 电 压 回 路 的 带 宽 ， 继 而 提 高 电 路 的 反 应 速 度 。
如 图 2所 示 ， 三 个 信 号 被 采 样 ， 分 别 是 输 出 电 压 Vo， 输 入 电 流 Is， 输 入 电 压 。 其 中 值 得 注 意 的 一 点 是 ， 我 们 可 以 编 程 实 现 总 是 在 开 关 闭 合 的 中 间 时 间 对 Is采 样 ， 从 而 不 需 要 另 加 低 通 滤 波 就 可 以 获 得 Is的 平 均 值 。
接 下 来 我 们 分 别 建 立 PI控 制 器 和 陷 波 滤 波 器 的 数 字 模 型 。 PI控 制 算 法 的 模 拟 表 达 式 为 分 时 间 常 数 。
PI系 数 的 整 定 常 常 通 过 实 验 来 确 定 ， 或 通 过 凑 试 ， 或 者 通 过 经 验 公 式 来 确 定 。 这 方 面 的 内 容 一 般 的 计 算 机 控 制 系 统 类 的 书 上 都 有 介 绍 。
陷 波 滤 波 器 的 设 计 可 参 照 公 式 (4)
式 中 ： ω 是 滤 波 频 率 的 角 速 度 ；
Q值 按 不 同 的 要 求 确 定 。
离 散 化 可 以 由 Matlab的 sysd=c2d(sys,Ts)方 程 方 便 地 实 现 。 图 3所 示 的 就 是 所 设 计 滤 波 器 的 Matlab模 拟 图 ， 其 中 ω =628， Q=20。 4 DSP实 现
我 们 采 用 TI公 司 的 16位 芯 片 TMS320LF2407A来 实 施 控 制 方 案 。 这 款 芯 片 专 门 用 于 数 字 控 制 的 2000系 列 ， 采 用 哈 佛 结 构 的 CPU和 4级 流 水 性 操 作 的 程 序 控 制 ， 运 行 速 度 是 40MIPS（ 即 25ns的 指 令 周 期 ） 。 它 具 有 544字 节 的 DARAM， 2 k的 SARAM， 32 k的 FLASH， 2个 事 件 管 理 单 元 ， 16路 10 bit、 转 换 时 间 500 ns的 A/D转 换 ， 最 多 16路 的 PWM输 出 等 片 内 资源 。
对 电 流 回 路 和 电 压 回 路 ， 我 们 分 别 采 取 20 kHz和 10 kHz的 控 制 频 率 。 两 个 中 断 程 序 被 用 来 完 成 PFC的 数 字 控 制 ， 中 断 程 序 int2负 责 3个 输 入 的 采 样 及 电 流 回 路 的 PI控 制 ， 另 一 个 中 断 程 序 int3负 责 电 压 回 路 的 PI控 制 及 陷 波 滤 波 。 图 4是 主 程 序 控 制 流 程 图 ， 图 5是 采 样 周 期 图 。 其 中 int2的 中 断 优 先 级 高 于 int3， 所 以 若 int3没 完 成 ， 而 int2中 断 发 生 时 ， int3将 悬 挂 直 到 int2中 断 程 序 运 行 结 束 才 继 续 运 行 。 因 为 电 压 回 路 的 变 化 比 较 缓 慢 ， 所 以 一 个 周 期 的 延 时 不 会 影 响 控 制 效 果 。 设 置 比 较 控 制 寄 存 器 ， 在 T1下 溢 的 时 候 写 入 新 的 比 较 值 ， 结 合 通 用 定 时 器 周 期 寄 存 器 T1PR的 值 ， 产 生 新 的 占 空 比 的 PWM波 ， 控 制 与 之 相 连 的 开 关 管 的 动 作 。 从 图 5中 我 们 也 可 以 注 意 到 ， int2的 中 断 程 序 （ 包 括 3个 采 样 和 一 个 PI程 序 ） 必 须 在 半 个 电 流 采样 周 期 ， 即 25 μ s之 内 完 成 。 根 据 前 面 给 出 的 DSP的 性 能 指 标 ， 这 个 目 标 完 全 可 以 达 到 。 另 外 ， 在 实 际 应 用 中 ， 采 用 的 是 积 分 分 离 的 PI算 法 ， 把 PI的 输 出 值 限 定 在 一 定 的 范 围 之 内 ， 避 免 使 系 统 产 生 很 大 的 超 调 量 而 引 起 系 统 振 荡 。 还 加 入 了 软 启 动 程 序 ， 在 程 序 刚 开 始 的 时 候 逐 步 加 大 Vref的 值 ， 从 而 达 到 开 关 电 源 的 软 启 动 要 求 。
因 为 像 Kp， Ki及 滤 波 器 系 数 等 这 些 参 数 都 是 浮 点 数 ， 而 所 用 的 是 16位 的 芯 片 ， 所 以 用 DSP实 现 以 上 算 法 ， 还 需 要 解 决 浮 点 数 和 定 点 数 之 间 相 互 转 换 的 问 题 。 可 以 用 不 同 的 Qn值 来 表 达 不 同 范 围 和 精 度 的 浮 点 数 ， 其 中 n表 示 16位 中 小 数 点 之 后 的 位 数 。 例 如 ， Q0可 表 示 － 32 768到 32 767的 整 数 ， 而 Q15可 表 达 － 1到 0.999 969 5之 间 精 度 为 1/32 768的 实 数 [2]。 不 同 的 Qn值 之 间 需 要 经 过 移 位 ， 转 换 为 相 同 的 位 数 才 能 进 行 比 较 和 加 减 运 算 。
5 实 验 结 果
程 序 编 译 通 过 后 ， 烧 入 片 内 flash， 外 加 简 单 的 外 围 电 路 ， 就 可 以 进 行 实 验 验 证 了 。 我 们 采 用 的 是 Boost电 路 的 拓 扑 结 构 ， 接 电 阻 负 载 ， 输 入 电 压 220 V,输 出 电 压 385 V， 得 到 的 输 入 电 压 电 流 波 形 如 图 6所 示 。 用 功 率 表 测 得 PFC电 路 的 输 入 功 率 为 545 W， 输 出 功 率 为 513 W,可 以 计 算 出 PFC电 路 变 换 效 率 为 94.1％ 。 在 相 同 测 试 条 件 下 ， 用 功 率 因 数 表 测 得 的 PFC电 路 的 功 率 因 数 为 0.983。 图 7所 示 的 是 软 启 过 程 。 6 结 语
本 文 探 讨 了开 关 电 源 功 率 因 数 调 整 的 全 数 字 实 现 方 案 ， 实 验 证 明 了 该 方 案 的 可 行 性 。 目 前 ， 对 开 关 整 流器 件 采 用 DSP控 制 的 研 究 开 展 的 还 不 多 ， 主 要 是 由 于 相 对 于 专 用 的 集 成 芯 片 DSP的 价 格 比 较 高昂 ， 而 且 成 熟 的 控 制 算 法 难 以 获 得 。 然 而 ， 随 着 DSP芯 片 价 格 的 不 断 降 低 和 控 制 算 法 的 研 究 不断 深 入 ， 相 信 开 关 整 流 器 件 数 字 控 制 的 时 代 很 快 就 会 到 来 。 参 考 文献 [1] S.Buso,P.Mattavelli,L.Rossetto,G.Spiazzi, Simple digital control improving dynamic performance of power factor preregulators[J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS (13)5,1998.
[2] U 134,UC3854 Controlled Power factor Correction CircuitDesign, Power Supply Control Products Data Book[M].Texas Instruments.
[3] TMS320LF/LC240XA DSP Controllers Reference GuideTech.Rep. SPRU357B ,Texas Instruments,2001. |
