一種高功率因數(shù)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言
    隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展，要求電子元器件的供電電源越來越苛刻。一般元器件供電都是直接從市電中獲得，但由于電網(wǎng)的輸入阻抗呈容性，而大量整流電路造成電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)輸入電壓與輸入電流間存在較大相位差，輸入電流呈脈沖狀，諧波分量很高，嚴(yán)重干擾電力系統(tǒng)。據(jù)了解現(xiàn)階段一般電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)約為0．65，因此，高效率利用能源，提高電源功率因數(shù)已刻不容緩。
    現(xiàn)階段功率因數(shù)校正PFC(Power Factor Correction)分為主動(dòng)式與被動(dòng)式兩種。被動(dòng)式PFC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要是利用電感線圈內(nèi)部電流不能突變的原理調(diào)節(jié)電路中的電壓與電流相位差，從而改變功率因數(shù)，但其結(jié)構(gòu)笨重，易產(chǎn)生低頻噪聲且最大功率因數(shù)只能在70％。主動(dòng)式PFC一般為有源功率因數(shù)調(diào)整，可簡(jiǎn)單歸納為升壓型開關(guān)電源電路，具有體積小，輸入電壓寬以及功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，功率因數(shù)可接近100％。

2 高功率因數(shù)電源設(shè)計(jì)方案
2．1 功率因數(shù)監(jiān)測(cè)
    該設(shè)計(jì)采用相位差測(cè)量法，即分別對(duì)變壓器副邊檢測(cè)的電壓、電流信號(hào)先經(jīng)比較器整形，然后通過計(jì)算得到電壓電流的相位差，再進(jìn)行余弦運(yùn)算，即可得到系統(tǒng)的功率因數(shù)。負(fù)載端輸出電壓、電流經(jīng)采樣得到系統(tǒng)視在功率。根據(jù)P=S×cosQ=S2-P2(Q表示無功功率)計(jì)算電源的有功功率、無功功率等參數(shù)。該方法易于操作，而且通過等精度法測(cè)相，可達(dá)到很高精度，從而能很好滿足系統(tǒng)要求。
2．2 功率因數(shù)校正
    該系統(tǒng)采用有源功率因數(shù)校正，可改善電源輸入功率因數(shù)，減小輸入電流諧波。其主要實(shí)現(xiàn)方式有2 種：(1)兩級(jí)PFC技術(shù)，即在整流濾波和DC／DC功率級(jí)之間加入有源PFC電路為前置級(jí)，用于提高功率因數(shù)和實(shí)現(xiàn)DC／DC級(jí)輸入的預(yù)穩(wěn)，該技術(shù)一般用于較大功率輸出場(chǎng)合；(2)單級(jí)PFC技術(shù)，即將PFC級(jí)與DC／DC級(jí)中的元件共用，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制，通常共用器件為MOSFET。該方式設(shè)計(jì)與優(yōu)化尤為重要，適用于小功率應(yīng)用。
    有源功率因數(shù)校正的控制方式又可根據(jù)電感電流是否連續(xù)分為平均電流型控制、CCM／DCM邊界控制和電流箝位控制模式。其中CCM／DCM邊界控制 Boost PFC是一種滯后控制技術(shù)，其上限為正弦基準(zhǔn)電流，由輸出檢測(cè)信號(hào)經(jīng)誤差放大后與輸入全波電壓檢測(cè)信號(hào)相乘得到，下限為零。具體工作過程為：檢測(cè)電感電流并與正弦電流基準(zhǔn)信號(hào)相比較，當(dāng)電感電流達(dá)到該基準(zhǔn)時(shí)，關(guān)斷開關(guān)：當(dāng)電感電流為零則再次導(dǎo)通，使電感電流為臨界電流工作狀態(tài)。即CCM／DCM邊界，可消除二極管的反向恢復(fù)損耗，大大減小主開關(guān)的非零電壓導(dǎo)通損耗。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，使用專用器件的外圍元件數(shù)量少。運(yùn)用Boost電路的PFC，在 CCM模式下輸入電流畸變小且易于濾波，開關(guān)管的電流應(yīng)力也小，可以處理較大的功率并保持較高的效率。[!--empirenews.page--]
    這里選用CCM模式PFC控制器UCC28019實(shí)現(xiàn)最終的功率因數(shù)校正。該器件采用軟啟動(dòng)機(jī)制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，結(jié)合外圍電路可實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)，開環(huán)保護(hù)，輸出過壓保護(hù)，軟過流控制(SOC)和峰值電流限制等功能。系統(tǒng)輸出電壓由該器件VSENSE引腳所接分壓電阻與其內(nèi)部+5 V的基準(zhǔn)決定。由公式可得，通過調(diào)節(jié)分壓電阻的比率實(shí)現(xiàn)輸出電壓的數(shù)字可調(diào)。

3 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)采用MSP430F449為控制和運(yùn)算核心，通過等精度測(cè)相法測(cè)量出系統(tǒng)的功率因數(shù)。功率因數(shù)校正則以UCC28019為核心，利用硬件電路形成閉環(huán)反饋電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓、電流。單片機(jī)提供過流保護(hù)來控制繼電器以及采樣和顯示電壓電流。利用鍵盤選擇各種功能。LCD實(shí)時(shí)顯示各操作數(shù)據(jù)，人機(jī)界面友好。圖1為系統(tǒng)整體框圖。

4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
4．1 功率因數(shù)測(cè)量電路
    變壓器副邊處通過電流互感器和電壓互感器取樣交流信號(hào)，然后經(jīng)雙路比較器LM393整形后利用等精度法測(cè)量相位差，得到系統(tǒng)功率因數(shù)。LM393的整形電路如圖2所示。

4．2 輸出電流與電壓采樣電路
    在電路負(fù)載輸出端加一精密大功率電阻，利用I／V轉(zhuǎn)換即可得到輸出電流。輸出電壓的測(cè)量則通過分壓其轉(zhuǎn)換為MSP430內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器可識(shí)別的電壓，再進(jìn)行采樣。
4．3 功率因數(shù)校正電路
    功率因數(shù)校正電路以UCC28019為核心，通過一系列外圍元件取值使功率因數(shù)校正到98％以上。圖3為采用UCC28019設(shè)計(jì)的功率因數(shù)校正電路。

4．4 過流保護(hù)電路
    通過單片機(jī)實(shí)時(shí)采樣輸出電流。當(dāng)電流過大時(shí)單片機(jī)控制繼電器模塊使其斷開，系統(tǒng)斷電；當(dāng)故障排除后測(cè)得電流值小于預(yù)定值時(shí)單片機(jī)再次發(fā)指令使繼電器閉合，電路重新正常工作。[!--empirenews.page--]

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件控制功率因數(shù)測(cè)量部分測(cè)相電路的工作，以及實(shí)時(shí)采樣輸出電壓、電流。當(dāng)檢測(cè)到輸出電流大于2．5 A時(shí)，控制繼電器關(guān)斷和電路復(fù)位，LCD實(shí)時(shí)顯示電源當(dāng)前參數(shù)，通過鍵值的設(shè)定實(shí)現(xiàn)輸出電壓的步進(jìn)可調(diào)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

6 結(jié)束語(yǔ)
    通過測(cè)量最終功率因數(shù)可得，該系統(tǒng)以UCC28019為PFC核心可使功率因數(shù)高達(dá)98％，具有過流保護(hù)與自我恢復(fù)功能，且硬件電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，具有一定實(shí)用性。