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开关电源功率因数校正的DSP实现

发布时间:2020-07-21 17:49:38 阅读: 来源:滤布厂家

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。

本文引用地址:关键词:数字信号处理器;功率因数校正;开关电源

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 e 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

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(ACdrives)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。

图1 功率因数校正原理

PFC变换器的输出中含有二次谐波的纹波电压,

ΔVo(t)|= (1)

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50Hz的工频输入,电压回路的带宽一般都只选在10~20Hz。

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100Hz。与模拟滤波器相比,数字滤波可以很好地减少100Hz的谐波成分,同时引入的相位影响却要小得多。

图2 数字控制的PFC模型

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Vi′。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

V(t)=Kp (2)

对式(2)进行离散化处理,得到

V(n)=Kp[e(n)-e(n-1)]+Ki·e(n)+V(n-1) (3)

式中:Kp为比例系数;

Ki=Kp为积分系数,T为采样周期,Ti为积分时间常数。

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)

(4)

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