开关电源功率因数校正的DSP实现

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（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）

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。

图3 数字陷波器的Matlab模拟

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，2k的SARAM，32k的FLASH，2个事件管理单元，16路10bit、转换时间500ns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20kHz和10kHz的控制频率。两个中断程序被用来完成PFC的