測量裝置
圖1顯示了由一個數(shù)字控制器進行電源隔離控制的傳統(tǒng)PFC裝置。輸入線路和中性點電壓通過一個衰減網(wǎng)絡檢測，之后由兩個單獨的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 輸入采樣。電流信號經(jīng)由一個分流器檢測，然后被信號調(diào)節(jié)電路放大和濾波。之后，連接至一個ADC進行電流環(huán)路控制。由于輸入電壓和電流測量已經(jīng)具備，因此可用它們來測量輸入功率和RMS電流。一樣的傳統(tǒng)PFC裝置用于這些測量，無需傳統(tǒng)專用功率計芯片和附加檢測電路。
圖1 輸入功率和電流測量PFC裝置
電流測量與校準
電流檢測信號調(diào)節(jié)電路（圖1）一般由一個運算放大器和一個低通濾波器組成，目的是放大小檢測信號和去除高頻噪聲。之后，通過一個ADC測量該信號，并以ADC計數(shù)報告。為了獲得真實的電流值，需把ADC計數(shù)轉(zhuǎn)換為以安培為單位的電流。ADC計數(shù)與安培的關(guān)系可由原理圖推導得出；但是，組件容差可能會使測量精確度變得不可接受。因此，需要進行一次校準。
電路如圖1所示，在任何時候，分流器的輸入電流（單位毫安培）均為：
計算得到的ki和mi為小數(shù)，小于1,而PFC應用的大多數(shù)數(shù)字控制器均使用定點數(shù)學計算。為了降低計算的化整誤差和保持足夠高的精確度，把這些小數(shù)值乘以2N,然后四舍五入為最為接近的整數(shù)。例如，如果PFC電路的電流檢測增益和偏移量計算得到為ki= 1.59和mi= 229.04,則ki乘以28,然后四舍五入為407;mi乘以20.電流斜率和偏移量分別為：
其中，iin_slope = 407,iin_slope_shift = 8,iin_offset = 229,而iin_offset_shift = 0.
計算得到輸入功率和RMS電流以后，如果ki和mi為倍數(shù)，則不要直接使用它們，你可以先使用iin_slope和iin_offset來做乘法運算。然后，使用iin_slope_shift和iin_offset_shift來轉(zhuǎn)換結(jié)果。例如，不要使用y = ki× x + mi× z進行計算，而要使用下面的計算方法：
電壓檢測電路十分簡單，它可以只是一個分壓器，如圖2所示。一般，會有一些箝制二極管來保護ADC引腳。由于二極管的反向漏電流影響ADC的測量精確度，因此應選擇使用低反向漏電流的二極管。
圖2 AC輸入電壓檢測電路
任何時候，輸入電壓均為：
其中，kv為電壓檢測增益，Cv為ADC轉(zhuǎn)換輸出（計數(shù)），而mv則為電壓檢測偏移量。Kv和mv的校準方法類似，都是對電流檢測增益和偏移量進行校準。但是，一種更加簡單的方法是只需根據(jù)原理圖進行計算。由于沒有了校準，因此分壓器使用的電阻會影響測量精確度。我們推薦把低容差電阻器用作分壓器，例如：0.1%容差。
一個12位ADC和2.5V基準電壓的數(shù)字控制器，輸入電壓被分壓器衰減至2.5V以下。這樣，經(jīng)過衰減的信號被ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。因此：
與輸入電流測量類似，需要對電壓檢測增益和偏移量進行一些操作，以使其適應定點微處理器，并降低計算誤差。
VIN和IIN相互關(guān)系
真實輸入功率定義為：
其中，N為總采樣數(shù)。方程式13表明，需同時對VIN和IIN采樣。但是，VIN和IIN卻是由兩個不同的ADC通道在不同時間采樣。即使是很小的時間差，也會引起測量誤差。在一些數(shù)字控制器中，例如：TI UCD3138等，具有一種被稱作“雙采樣保持”的機制，其允許兩種通道同時采樣，從而消除了這種誤差。
由于電流檢測電路中使用了低通濾波器，受測電流信號出現(xiàn)延遲，并且實際電流存在相移。圖3顯示了這種情況，圖中，通道2為實際電流信號，通道1為經(jīng)過放大的相同信號，其隨后經(jīng)低通濾波器輸出。該放大信號有約220 μs的相位延遲。需要對這種延遲進行補償，否則它會影響輸入功率測量的精確度。一種簡單的補償方法是，讓VIN-sense信號延遲約220μs,然后使用該經(jīng)過延遲的VIN信號來進行輸入功率計算。所以，如果每隔20μs測量一次VIN,則需要對其延遲220/20 =11次。
圖3 電流檢測相移
真實輸入功率計算
組合方程式1、7和13,得到：
輸入RMS電流計算
圖1所示數(shù)字控制器所進行的電流測量并不代表總輸入電流，因為電磁干擾（EMI）濾波器中電容的作用未包括在內(nèi)。在高線壓和輕負載條件下，這種濾波器電流不再可以忽略不計，必須將其包括進來，以實現(xiàn)精確的輸入電流報告。
圖4顯示了一種簡化版的EMI濾波器，我們?nèi)コ穗姼衅?，并使用一個單電容器（C）來代替總電容。圖中，IEMI為EMI電容器的RMS電抗性電流，IMeasure為數(shù)字控制器測量的輸入RMS電流，而IIN則為總輸入RMS電流。
圖4 簡化版EMI濾波器的電流
EMI濾波器產(chǎn)生的電抗性電流為：
使用離散格式，它可以寫為：
測試結(jié)果
這種輸入功率和RMS電流測量方法在一個360W的PFC評估模塊上進行了測試。結(jié)果（表1）表明，這種方法擁有優(yōu)異的測量精確度。
表1 輸入功率和RMS電流測量的測試結(jié)果
結(jié)論
特點：
極低的成本
簡單的兩點校準
使用雙采樣保持，VIN和IIN同時采樣
固件EMI電流補償
固件電流檢測，相移補償
優(yōu)化的數(shù)學計算，CPU使用開銷較少
本文介紹的這種新穎、低成本且精確的輸入功率和RMS電流測量解決方案，使用現(xiàn)有的數(shù)字功率因數(shù)校正（PFC）控制芯片和硬件，以及簡單的兩點校準和優(yōu)化數(shù)學計算。這樣便可提供優(yōu)異的測量精確度，并極大降低成本和減少工作量，同時不影響正常的PFC控制。
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