基础知识：通过 DFF 控制改善功率因数与 THD
几十年来，平均电流模式控制一直用于功率因数校正 (pfc)，而且在商业市场也有各种采用这种控制算法的 pfc 控制芯片。
图1 是这种平均电流模式控制的形象介绍。
图1. pfc 的平均电流模式控制
通常认为，平均电流模式控制的性能可充分满足大部分 50/60hz ac 线路输入的商用电源应用需求。但是，传统平均电流模式控制会使电感器电流领先于输入电压，导致不统一的基本位移功率因数与过零失真。在 pfc 工作在高频率 ac 环境下时，这种情况会变得更糟糕，例如工作在 400hz 下的机载系统。这些系统所需的高质量输入电流很难通过传统控制方法实现。一种名为占空比前馈 (dff) 控制的最新控制方法可有效降低高线路频率下的输入电流失真1/2/3。
dff 控制的基本构想是预先计算占空比，以减轻反馈控制器的任务。对于工作在连续传导模式下的升压拓扑来说，占空比 dff 的计算公式为：
公式1
该占空比模式在开关两端产成一个电压，其在整个开关周期内的平均值等于整流输入电压。常规电流环路补偿器会围绕这个计算出的占空比模式改变占空比。
由于升压电感器在线路频率下的阻抗非常低，因此很小的占空比变化就会在整个电感器上产生足够的电压，以生成所需的正弦电流波形。
图2. pfc 的占空比前馈控制
图2 是获得的控制方案。公式1 可计算前馈占空比 dff。然后它可添加至传统平均电流模式控制输出 di。最终的占空比 d 可用来生成控制 pfc 的脉宽调制 (pwm) 波形。
使用 dff 控制时，需要很多数学计算。cpu 的速度可决定控制环路的速度，进而影响环路带宽。更快的 cpu 就意味着可实现更高的带宽。然而，这也意味着更高的成本与功耗。
当我使用德州仪器 (ti) 数字控制器 ucd3138 实施这一控制算法时，我利用 ucd3138 的硬件数字补偿器以相对较低的 cpu 速度实现了高带宽。
ucd3138 中的数字补偿器是一个增加了一个 α 的传统 pid 结构，可提供双极双零补偿（图 3）。p、i 和 d 是三个独立分支，合并输出后可生成最终的控制信号。数字补偿器运行速率高达 2mhz。由于 pfc 电流环路是一阶系统，因此通常情况下 pi 控制器已足够进行补偿。这可腾出 d 分支，用来提高 dff 控制速度。
仔细观察图2。尽管 iref 和 dff 由速度有限的 cpu 计算，但数字补偿器和 pwm 生成器是 ucd3138 的硬件，因此它们的运行速度更快。这就意味着 di 能以高速进行计算。因而其实 dff + di = d，其可降低控制环路速度。如果 dff + di = d 也能通过硬件完成，那么不仅整个环路速度会比以前快，而且带宽也会提高。
图3. ucd3138 的 pid 结构
d 分支有两个高级特性：
输出可设置为预定义值
它可能会中止（冻结），使其输出维持当前值
我们可利用这两个特性增强 dff 控制。
例如，电流控制环路必须是 100khz，但由于 cpu 速度的限制，dff 最多只能在 50khz 速率下进行计算。完成计算后，将 d 分支输出预设为 dff，然后中止。尽管 dff 在 50khz 下计算，但是 p、i 和d = p + i + dff 都在更快的 100khz 速率下运行，因此 pwm 可在 100khz 下更新。有效的控制环路将在 100khz 下运行。该过程请参见图4。
图4. 将 dff 与 ucd3138 pid 结构结合
有了更快的控制环路速度，就可提高带宽，从而改善 thd 和pf。ucd3138 的独特结构可提供改进的 dff 实施方案。
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公式1
该占空比模式在开关两端产成一个电压，其在整个开关周期内的平均值等于整流输入电压。常规电流环路补偿器会围绕这个计算出的占空比模式改变占空比。
由于升压电感器在线路频率下的阻抗非常低，因此很小的占空比变化就会在整个电感器上产生足够的电压，以生成所需的正弦电流波形。
图2. pfc 的占空比前馈控制
图2 是获得的控制方案。公式1 可计算前馈占空比 dff。然后它可添加至传统平均电流模式控制输出 di。最终的占空比 d 可用来生成控制 pfc 的脉宽调制 (pwm) 波形。
使用 dff 控制时，需要很多数学计算。cpu 的速度可决定控制环路的速度，进而影响环路带宽。更快的 cpu 就意味着可实现更高的带宽。然而，这也意味着更高的成本与功耗。
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ucd3138 中的数字补偿器是一个增加了一个 α 的传统 pid 结构，可提供双极双零补偿（图 3）。p、i 和 d 是三个独立分支，合并输出后可生成最终的控制信号。数字补偿器运行速率高达 2mhz。由于 pfc 电流环路是一阶系统，因此通常情况下 pi 控制器已足够进行补偿。这可腾出 d 分支，用来提高 dff 控制速度。
仔细观察图2。尽管 iref 和 dff 由速度有限的 cpu 计算，但数字补偿器和 pwm 生成器是 ucd3138 的硬件，因此它们的运行速度更快。这就意味着 di 能以高速进行计算。因而其实 dff + di = d，其可降低控制环路速度。如果 dff + di = d 也能通过硬件完成，那么不仅整个环路速度会比以前快，而且带宽也会提高。
图3. ucd3138 的 pid 结构
d 分支有两个高级特性：
输出可设置为预定义值
它可能会中止（冻结），使其输出维持当前值
我们可利用这两个特性增强 dff 控制。
例如，电流控制环路必须是 100khz，但由于 cpu 速度的限制，dff 最多只能在 50khz 速率下进行计算。完成计算后，将 d 分支输出预设为 dff，然后中止。尽管 dff 在 50khz 下计算，但是 p、i 和d = p + i + dff 都在更快的 100khz 速率下运行，因此 pwm 可在 100khz 下更新。有效的控制环路将在 100khz 下运行。该过程请参见图4。
图4. 将 dff 与 ucd3138 pid 结构结合
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