TMS320LF2407A DSP的PFC级电路的原理与设计

1、引言

带A/D转换器（ADC）和脉冲宽度调制器（PWM）等集成外设的低成本高性能数字信号处理器（DSP），已在电机控制、不间断电源（UPS）和运动控制等领域获得比较广泛的应用。低成本DSP在控制电源变换功能方面，为电源设计者提供了新的工具。

与传统模拟控制比较，DSP控制器具有许多突出的优点，例如多平台标准硬件设计、对老化和环境变化的低敏感度、优异的抗噪扰性、易于履行高级控制算法、设计变更的灵活性及控制和通信功能的单芯片解决等。然而，在电源设计中使用DSP，对许多模拟设计者来说面临新的挑战，他们必须尽力改变设计，以适应新的数字环境。

本文以由德州仪器TMS320LF2407A 16位定点DSP控制的平均电流型功率因数校正（PFC）升压变换器为例，来说明与传统模拟设计方案存在的不同。在模拟控制领域不同的控制环路参数，必须重新定义到它们的数字履行上，然后进行环路分析，并给出要求的电压和电流环路补偿器，最后介绍这些补偿器的分立化及它们在软件中的执行。通过PFC级数字控制器设计为例，可以识别模拟与数字控制之间的基本区别。

2、TMS320LF2407A控制的PFC级电路

图1所示为由TMS320LF2407A控制的PFC级电路。该拓扑是一种AC-DC升压变换器，为履行控制算法（algorithm），需要三个信号，即整流的输入电压Vin、电感器电流Iin和DC总线（输出电容Co）电压V。

图1 TMS320LF2407A控制的PFC级电路

变换器由两个反馈环路控制：平均输出电压由较慢响应的外环调节，而整形输入电流的内环响应速度比外环快得多。瞬时信号Vin、Iin和Vo通过各自的电压和电流感测电路被检测，检测信号经三个数模转换器（ADC）信道反馈到DSP。这三个ADC通道分别是ADC/NO、ADCIN1和ADCIN2。这些信号的速率利用ADC控制环路的采样频率fs感测和转换。数字化感测的总线（bus）电压Vo与期望的参考总线电压Vref相比较，尔后将差分信号（Vref-Vo）馈入到电压环路控制器Gvea。数字化控制器Gvea的输出“B”与其它两个信号“A”和“C”相乘，为内部电流环路产生参考电流命令。在图1中，“A”代表感测的数字瞬时信号Vin。“C”可由下式确定：

　　式中，Vdc是计算的感测数字化信号Vin的平均成分。在图1中的Iref是内部电流环路的参考电流命令，Iref具有经整流的正弦波形状，其幅度对于负载和AC线路电压的变化足以保持输出电压在一个参考电平Vref上。感测的数字化电感电流Iin与参考电流Iref进行比较，Iref与Iin之差值进入电流控制器Gca。Gca的输出最后为PFC开关产生PWM占空比命令。

3、PFC级数字控制器设计

图1所示的DSP控制的PFC变换器控制环路框图如图2所示。图中，Kf、Ks和Kd增益块替代了先前各自的电压和电流感测与调节电路。乘法器增益Km也加进控制单元中。Km允许参考信号Iref根据变换器输入工作电压范围进行调节。内部电流环路利用Iref来编程，电流环路功率级输入占空比命令是电感电流Iin。电流控制器Gca产生适当的控制输出Uca，致使Iin跟随Iref。电压控制器Gvea输出Unv输入到电压环路功率级，其输出是总线电压Vo。Gvea产生适当的Unv控制Iref的幅值，使Vo保持在参考电平上。德州仪器（TI）公司生产的TMS320LF2407A是一种16位定点（fixed-point）DSP控制器，被用作控制通用输入（85~265Vac）平均电流模式PFC预变换器。

图2 TMS320LF2407A控制的PFC级控制环路框图

3.1 电压与电流感测增益

输入电压Vin和输入电流Iin分别表示为
　　Vin=Vm Sin2wt 0≤Vm≤Vmax
　　Iin=Im sin2wt 0≤Im≤Imax
　　式中：Vmax为峰值幅度Vm最大值，V；Imax为峰值幅度Im的最大值，A。

基于DSP的PFC变换器信号通过芯片上的A/D转换器感测。为使这些信号进入A/D转换器的范围之内，利用适当的外部调节电路加至每个通道。用户软件读出变换的信号，即数字化信号。从ADC结果寄存器读出的数字化信号，用适当的定点格式保存在临时存储器单元。数字化信号用有限的字长被表示为数值。在16位DSP中，最低位（LSB）用作表示信号的尾数，最高位（MSB）用作代表其符号。为了实现转换，需要选择信号的范围，然后在定点表示的整个范围之内标记变化结果的全部范围。对于TMS320LF2407A DSP，正向信号的范围是从0到32767。一旦这个映像完成，下一步则是为这些数字化信号选择适当的定点算法计数法。对于16位DSP，利用Q15计数法作为这些信号的定点表示是有利的。用这种表示方法，数值在0~32767范围之内，表示绝对值在0与1之间。用Q15计数法，电压和电流相对于它们的最大值作为规格化的每单位