开关电源功率因数校正的DSP实现
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
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 introduced.the 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）
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25μs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。
图4 主程序流程图
图5 采样周期图
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－32768到32767的整数，而q15可表达－1到0.9999695之间精度为1/32768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220v,输出电压385v，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545w，输出功率为513w,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。
图6 boostpfc电路输入电压电流图
图7 软启动波形图
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 circuit design, power supply control products data book[m].texas instruments. [3] tms320lf/lc240xa dsp controllers reference guide tech.rep. spru357b ,texas instruments,2001.
在工作组环境中轻松管理SOLIDWORKS PDM数据
浅谈电子连接线生产流程
关于连接器对发电量的消耗分析
相机之强，离不开激光雷达传感器
水稻考种仪是什么，它的功能特点有哪些
开关电源功率因数校正的DSP实现
中国移动公布首款5G+套餐含200GB流量、1000分钟通话
艾为电子推出车规级线性马达驱动AW86907QNR-Q1
中国移动研究院与Mindspeed就合作研究Nanocell签署技术合作备忘录
IBERINCO的CORE能源操作中心,西班牙各省的数十家风电厂经营
云表|MES和ERP都有生产管理模块,有什么不同,该如何选择
苹果可能正在寻求将苹果地图的范围扩展到其iDevices之外
基于起落架等DTAS三维公差仿真探索与应用案例分享!
AMD 7nm APU内存支持达到了LPDDR4-4266，支持Windows Hello
物联网和医疗供应链的整合会发生什么
射频收发机相关计算公式有哪些
为什么单片机语音芯片既有flash又有EEPROM
Keysight EL30000系列台式直流电子负载的性能及应用范围
基于DSP控制的数字移相器—变压变频器模块的设计
区块链技术是一个网络安全保护盾
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 circuit design, power supply control products data book[m].texas instruments. [3] tms320lf/lc240xa dsp controllers reference guide tech.rep. spru357b ,texas instruments,2001.
在工作组环境中轻松管理SOLIDWORKS PDM数据
浅谈电子连接线生产流程
关于连接器对发电量的消耗分析
相机之强，离不开激光雷达传感器
水稻考种仪是什么，它的功能特点有哪些
开关电源功率因数校正的DSP实现
中国移动公布首款5G+套餐含200GB流量、1000分钟通话
艾为电子推出车规级线性马达驱动AW86907QNR-Q1
中国移动研究院与Mindspeed就合作研究Nanocell签署技术合作备忘录
IBERINCO的CORE能源操作中心,西班牙各省的数十家风电厂经营
云表|MES和ERP都有生产管理模块,有什么不同,该如何选择
苹果可能正在寻求将苹果地图的范围扩展到其iDevices之外
基于起落架等DTAS三维公差仿真探索与应用案例分享!
AMD 7nm APU内存支持达到了LPDDR4-4266，支持Windows Hello
物联网和医疗供应链的整合会发生什么
射频收发机相关计算公式有哪些
为什么单片机语音芯片既有flash又有EEPROM
Keysight EL30000系列台式直流电子负载的性能及应用范围
基于DSP控制的数字移相器—变压变频器模块的设计
区块链技术是一个网络安全保护盾