CN102545580B - 一种可在线编程的通用pfc多功能处理器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可在线编程的通用PFC多功能处理器，包括全波整流电路、DC/DC转换电路和PFC处理器，其特征在于：全波整流电路将交流市电变为直流电，通过DC/DC转换器输出，DC/DC转换器由PFC处理器控制。本发明处理过程简单、方便，不需要频繁地修改硬件电路，所采用的主控MCU芯片种类多、二次开发技术易掌握、可扩展功能丰富，能够有效降低电路中的EMI。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率因数校正(PFC)的处理器。
背景技术
目前用于电源驱动器中的PFC模块技术一般分为两类，一类是通过对现有基本电路的结构进行改进，从而达到提高功率因数的效果，如专利申请号为201010607182.0的“一种BOOST与BUCK集成的无桥单级PFC电路”；另一类是使用专门用于整流功率因数校正的控制芯片，如Cirrus Logic公司的CS1600芯片、MITSUMI公司的LED灯用PFC开关电源控制IC MM3460、Marvell公司的88EM8080/81等等。
对于第一种技术，实现电路如图1所示，其特征在于：通过功率MOSFET管S1，储能电容C1和二极管D7结合了一个无桥BOOST电路与一个BUCK电路，功率MOSFET管S1既作为无桥BOOST电路的开关管之一，又作为BUCK电路的开关管；储能电容C1作为无桥BOOST电路的输出电容储存无桥BOOST电路传输的能量，并作为BUCK电路的输入电容，给BUCK电路的负载提供能量。
虽然该技术使用的器件相对减少，达到了降低成本、减小损耗的目的，但还是存在不足之处：(1)该方法属于模拟PFC，它已经不能很好地满足日益严格的法规要求和能效标准。(2)其电路参数完成设计后就无法改变，对负载、电流、电压等参数的调控能力相对较差，更无法实现在线编程等功能，适应性不强，适用范围较窄。
对于第二种技术，以Cirrus Logic公司推出的CS1600芯片为例，实现电路如图2所示，其特征在于：该芯片为数字控制、不连续导通模式(DCM)、有源功率因数校正IC，目标应用为额定功率高达300瓦的电源。
专用芯片的数字IC可提高全负载下的效能，轻载条件下的性能优势也很明显，但其依然存在着缺憾：(1)在线编程能力不强，专用芯片完成应用设计后，对负载、电压、电流等参数的调控能力不足，通用性不佳。(2)可拓展开发空间小，用户不易根据自己的需求对芯片进行功能扩展。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种采用通用芯片和嵌入式方法实现的PFC处理器，减少系统的采样电路，解决电源驱动系统中PFC模块通用性差的问题，增加可在线编程功能，降低系统的EMI，提高实用性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括全波整流电路、DC/DC转换电路和PFC处理器，全波整流电路将交流市电变为直流电，通过DC/DC转换器输出，DC/DC转换器由PFC处理器控制。
所述的DC/DC转换器包括电流采样电路、电压采样电路、功能扩展电路、电感器L1、导流二极管D1、电容器C1和功率开关管Q1，PFC处理器采用主控单片机实现。
其中，市电的火线L与全波整流电路BD的交流输入端AC+连接；市电的零线N与全波整流电路BD的AC-端连接；电感器L1的一端接整流桥BD的直流输入端DC+，另一端接功率开关管Q1的漏极和导流二极管D1的阳极；功率开关管Q1的源极接电流采样电路的电流采样电阻R1一端，功率开关管Q1的栅极接主控单片机的端口I/O.0；电流采样电阻R1另一端接全波整流电路BD的直流输出端DC-；电容器C1一端与导流二极管D1阴极连接，另一端与电流采样电阻R1的一端和全波整流电路BD的DC-端连接；电阻R2a与电阻R2b串联构成电压采样电路，并联在电容器C1两端；负载电阻R并联在电容器C1两端；主控单片机的I/O.1管脚接在功率开关管Q1的源极和电流采样电阻R1之间，I/O.2管脚接在电阻R2a和电阻R2b之间，串口管脚COM接红外接收器，GND管脚接全波整流电路BD的DC-端；主控单片机的端口XALT1与XALT2外接一个晶体振荡电路，其中晶体谐振器Y一端接XALT1，另一端接XALT2，电容C2a与电容C2b串联后跨接在Y上，在电容C2a和电容C2b引出一条地线与GND连接。
或者，市电的火线L与全波整流电路BD的交流输入端AC+连接；市电的零线N与全波整流电路BD的AC-端连接；功率开关管Q1的漏极与全波整流电路BD的DC+端连接，源极与导流二极管D的阴极、电感器L1的一端连接，栅极与主控单片机的端口I/O.0连接；导流二极管D的阳极通过电流采样电阻R1连接全波整流电路BD的DC-端；电感器L1的另一端通过电容器C1连接全波整流电路BD的DC-端；电阻R2a与电阻R2b串联构成电压采样电路，并联在电容器C1两端；负载电阻R并联在电容器C1两端；主控单片机的I/O.1管脚接在电流采样电阻R1与全波整流电路BD的DC-端口之间，I/O.2管脚接在电阻R2a和电阻R2b之间，串口管脚COM连接能够与外部进行信息双向传输的数据线，GND管脚接全波整流电路BD的DC-端；主控单片机的端口XALT1与XALT2外接一个晶体振荡电路，其中晶体谐振器Y一端接XALT1，另一端接XALT2，电容C2a与电容C2b串联后跨接在Y上，在电容C2a和电容C2b引出一条地线与GND连接。
或者，市电的火线L与全波整流电路BD的交流输入端AC+连接；市电的零线N与全波整流电路BD的AC-端连接；功率开关管Q1的漏极与全波整流电路BD的DC+端连接，源极与导流二极管D的阴极、电感器L1的一端连接，栅极与主控单片机的端口I/O.0连接；电感器L1的另一端通过电流采样电阻R1连接全波整流电路BD的DC-端连接；导流二极管D的阳极通过电容器C1连接全波整流电路BD的DC-端；电阻R2a与电阻R2b串联构成电压采样电路，并联在电容器C1两端；负载电阻R并联在电容器C1两端；主控单片机的I/O.1管脚接在电流采样电阻R1与电感器L1之间，I/O.2管脚接在电阻R2a和电阻R2b之间，串口管脚COM连接数据线接受外部信息，GND管脚接全波整流电路BD的DC-端；主控单片机的端口XALT1与XALT2外接一个晶体振荡电路，其中晶体谐振器Y一端接XALT1，另一端接XALT2，电容C2a与电容C2b串联后跨接在Y上，在电容C2a和电容C2b引出一条地线与GND连接。
所述的主控单片机(MCU)包括A/D转换器1、A/D转换器2、程序存储器、数据存储器、CPU、定时器/计数器、PWM发生器(可由定时器实现)、I/O口和COM口。
本发明的具体实现方法如下：
首先，将相位从0到π/2的正弦波离散化，之后将这些离散数据存储在数据存储器中，并根据开关频率和电网电压频率确定所需的离散数据的数目和时间间隔。同时，将占空比计算的方法通过软件编程存储在程序存储器中。
当电路启动时，电感电流采样值经过A/D转换器1转换后传送给CPU，CPU检测到最小电流点信号时给定时器一个触发信号。定时器接收到触发信号后，在每一个控制周期的时间间隔内向数据存储器发出提取数据的信号。数据存储器接收到信号后，依次把已存的离散数据传送给CPU。与此同时，输出电压的采样值经过A/D转换器2转换后也传送给CPU，CPU根据采样得到的输出电压数据得到一个比例因子，该比例因子与离散波形的数据相乘之后得到相应的参考电流的数值。根据所得到的参考电流值、采样值和电路参数，以及预存的占空比算法程序计算出每个控制周期的占空比，据此控制PWM发生器输出相应的脉冲信号。PWM输出的脉冲信号控制DC/DC转换器中开关管的导通与关断，进而调整电路中输出电流的波形，使其与输出电压的波形同频同相，实现电路功率因数的校正。
当市电频率与负载参数变化时，根据其变化，计算出与之相应的程序指令参数，利用编程器和编程端口PROG，将新的程序指令参数写入主控MCU中，使之适应使用环境的变化，实现系统的在线编程和在线升级。
通过调节主控MCU的工作频率或者修改系统的软件程序，改变PFC处理器输出的脉冲控制信号的占空比及频率，控制开关管的导通频率及脉宽，扩宽其频谱，减小其频谱密度，使有效信号频带内的噪声功率降到最小，降低系统的EMI。
将主控MCU的串口与外部拓展器件相连，利用单片机的串口通信功能，完成外部拓展器件与主控MCU之间的数据交换及实时控制。当串口收到来自外部装置的信号后，通过数据总线传送至CPU，通过识别之后，对具体的信号进行相应的操作，必要时把操作结果反馈至外部装置，实现双向通信，具体拓展功能可见实施实例。
本发明的有益效果是：
(1)参考电流以数据的形式存储在芯片中，省去了用输入电压获取参考电流的传统方法，减少了采样点，使得处理过程简单、方便。
(2)本发明具有可在线编程能力，使得PFC处理器能够灵活地适应负载与电网参数的变化，不需要频繁地修改硬件电路。
(3)该PFC处理器所采用的主控MCU芯片种类多、二次开发技术易掌握、可扩展功能丰富，如与外部设备进行数据通信、对用电设备进行远程遥控和管理和对系统进行故障监测等功能。
(4)采用频谱控制技术有效降低电路中的EMI。
附图说明
图1为一种BOOST与BUCK集成的无桥单级PFC电路；
图2为CS1600的应用电路；
图3为本案实施的电路总体框图；
图4为本案PFC处理器内部主要模块的详细框图；
图5为依据本案构想并基于升压型转换器实现的第一实例的电路原理图；
图6为依据本案构想并基于降压型转换器实现的第二实例的电路原理图；
图7为依据本案构想并基于升降压型转换器实现的第三实例的电路原理图。
具体实施方式
本发明主要目的有四个：一、利用芯片的数据存储功能，采用存储波形数据的方法，减少采样电路；二、通过修改本处理器的程序实现对系统参数、性能指标和功能特性等的调节，使之在负载终端、电网参数、工作状态发生变化时，能够灵活地适应负载的改变并满足实际应用的需求；三、利用通用芯片中的功能扩展端口(如串行接口)，用户可对PFC处理器进行二次开发，满足其在实际应用中对功能扩展如数据通信、远程遥控和故障监测等的需求；四、本处理器通过调节开关参数从而减少脉冲频谱密度，达到降低EMI(Electro Magnetic Interference电磁干扰)的目的。
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
如图3所示，本发明包括全波整流电路、DC/DC转换电路和PFC处理器，全波整流电路将交流市电变为直流电，通过DC/DC转换器输出，DC/DC转换器由PFC处理器控制。
第一实例
参见图5，依据本案构想并基于BOOST升压型转换器实现的第一实例主要包括市电输入、全波整流桥BD、电感器L1、电感电流采样电路、功率开关管Q1、导流二极管D1、电容器C1、输出电压采样电路、负载电阻R和PFC处理器。市电的火线L与整流桥BD的交流输入端AC+连接；市电的零线N与整流电路AC-端连接；电感器L1的一端接整流桥BD的直流输入端DC+连接，另一端与功率开关管Q1的漏极和导流二极管D1的阳极；开关管Q1的源极接电流采样电阻R1一端，开关管的栅极接主控单片机的端口I/O.0；电流采样电阻R1另一端接整流桥BD的直流输出端DC-；电容器C1一端与导流二极管D1阴极连接，另一端与采样电阻R1的一端和整流桥BD的DC-端连接；电阻R2a与电阻R2b串联之后，R2a一端与电容器C1和导流二极管的阴极连接，R2b一端与电感器C1另一端、采样电阻的一端和整流桥BD的DC-端连接；负载电阻R一端与电阻R2a的一端、电容器的一端和导流二极管的阴极连接，R的另一端与电阻R2b的一端、电容器C1的另一端、采样电阻R1的一端和整流桥的DC-端连接；主控单片机的I/O.0管脚接开关管Q1的栅极，I/O.1管脚接在Q1的源极和R1之间，I/O.2管脚接在R2a和R2b之间，串口管脚COM接红外接收器，GND管脚接整流桥BD的DC-端；主控单片机的端口XALT1与XALT2外接一个晶体振荡电路，其中晶体谐振器Y一端接XALT1，另一端接XALT2，电容C2a与电容C2b串联后跨接在Y上，在电容C2a和电容C2b引出一条地线与GND连接。
如图4所示，PFC处理器中，电流采样电路1的采样输入PFC处理器，处理器对其采取最小电流点信号检测并进行A/D转换，检测到最小电流点信号后给定时器一个触发信号。定时器接收到触发之后，在每一个控制周期的时间间隔内向存储器发出提取数据的信号。存储器在接收到信号后，依次把已存的数据传送给数据处理模块。同时，电感电流采样电路1和输出电压采样电路2的输出都进行了A/D转换之后，数据传送到数据处理模块。经过数据处理模块的计算，得出正确的占空比，并传送到PWM发生器。PWM发生器根据接收到的占空比输出相应的脉冲信号，并驱动开关管的导通与关断。
在功能扩展端外接一个红外接收器。首先由接收器接收到遥控器发送的信号，然后该信号经过通信串口COM传送给主控单片机，并通过内部总线送给数据处理模块，数据处理模块对该信号进行识别和处理，并根据得到的信息对处理器采取相应的控制，由此可以实现无线遥控功能，如对功率、输出电压、控制频率等的调节。
第二实例
参见图6，依据本案构想并基于BUCK降压型转换器实现的第二实例主要包括市电输入、全波整流桥BD、功率开关管Q1、导流二极管D1、电感器L1、电容器C1、负载电阻R、输出电压采样电路、电感电流采样电路和PFC处理器。市电的火线L与整流桥BD的交流输入端AC+连接；市电的零线N与整流电路AC-端连接；开关管Q1的漏极与整流桥BD的DC+端连接，源极与导流二极管D的阴极、电感器L1的一端连接，栅极与主控单片机的端口I/O.0连接；二极管D的阳极与电流采样电阻R1连接；电流采样电阻R1的另一端与整流桥BD的DC-端连接；电感器L1的另一端与电容器C1、电阻R2a的一端、负载电阻R的一端连接；电容器C1的另一端与R1的一端、整流桥BD的dc-端连接；电阻R2a的另一端与电阻R2b连接；电阻R2b的另一端与电容器C1的另一端、电阻R1的另一端和整流桥的DC-连接；负载R的另一端与电阻R2b的另一端、电容器C1的另一端、电阻R1的另一端和整流桥的DC-连接；主控单片机的I/O.0管脚接开关管Q1的栅极，I/O.1管脚接在电阻R1与整流桥BD的DC-端口之间，I/O.2管脚接在R2a和R2b之间，串口管脚COM连接能够与外部进行信息双向传输的数据线，GND管脚接整流桥BD的DC-端；主控单片机的端口XALT1与XALT2外接一个晶体振荡电路，其中晶体谐振器Y一端接XALT1，另一端接XALT2，电容C2a与电容C2b串联后跨接在Y上，在电容C2a和电容C2b引出一条地线与GND连接；
PFC处理器部分与第一实例相似，不再重述。
控制中心连接多个电源驱动中的PFC处理器，PFC处理器可通过处理器的通信串口与控制中心进行通信，通信内容包括电路中的电流、电压和功率等参数信息，使得控制中心可以实现实时的全局监督，并适时对其PFC处理器进行调节，可以实现故障监测和控制功能。
第三实例
参见图7，依据本案构想并基于BOOST/BUCK升降压型转换器实现的第三实例主要包括市电、全波整流桥BD、功率开关管Q1、电感器L1、导流二极管D1、电容器C1、输出电压采样电路、LED负载、电感电流采样电路和PFC处理器。市电的火线L与整流桥BD的交流输入端AC+连接；市电的零线N与整流电路AC-端连接；开关管Q1的漏极与整流桥BD的DC+端连接，源极与导流二极管D的阴极、电感器L1的一端连接，栅极与主控单片机的端口I/O.0连接；电感器L1的另一端与电流采样电阻R1的一端连接；采样电阻R1的另一端与整流桥BD的DC-端连接；倒流二极管D的阳极与电容器C1的一端、电阻R2a的一端和LED负载的一端连接；电容器C1的另一端与电流采样电阻R1的另一端和整流桥BD的DC-端连接；电阻R2a的另一端与电阻R2b连接；电阻R2b的另一端与电容器C1的另一端、电阻R1的另一端和整流桥的DC-连接；LED负载的另一端与电阻R2b的另一端、电容器C1的另一端、电阻R1的另一端和整流桥的DC-连接；主控单片机的I/O.0管脚接开关管Q1的栅极，I/O.1管脚接在电阻R1与电感器L1之间，I/O.2管脚接在R2a和R2b之间，串口管脚COM连接数据线接收外部信息，GND管脚接整流桥BD的DC-端；主控单片机的端口XALT1与XALT2外接一个晶体振荡电路，其中晶体谐振器Y一端接XALT1，另一端接XALT2，电容C2a与电容C2b串联后跨接在Y上，在电容C2a和电容C2b引出一条地线与GND连接。
PFC处理器部分与第一实例相似，不再重述。
当负载为LED灯时，由于LED对频率、电流的变化能做出十分灵敏的反应，并且可以在发出的光线反映出来。因此，通过控制LED灯输出电压幅度、频率、脉宽、颜色等的变动就能够传递指定的信息。光信号接收端感应到参数的变化后，识别出相应的信息即可完成无线的数据通信功能。
Claims (1)
1.一种可在线编程的通用PFC多功能处理器，包括整流桥、DC/DC转换器和PFC处理器，其特征在于：整流桥将交流市电变为直流电，通过DC/DC转换器输出，DC/DC转换器由PFC处理器控制；所述的DC/DC转换器包括电流采样电路、电压采样电路、功能扩展电路、电感器L1、导流二极管D1、电容器C1和功率开关管Q1，PFC处理器采用主控单片机实现；
所述的市电的火线L与整流桥BD的交流输入端AC+连接；市电的零线N与整流桥BD的AC-端连接；电感器L1的一端接整流桥BD的直流输入端DC+，另一端接功率开关管Q1的漏极和导流二极管D1的阳极；功率开关管Q1的源极接电流采样电路的电流采样电阻R1一端，功率开关管Q1的栅极接主控单片机的端口I/O.0；电流采样电阻R1另一端接整流桥BD的直流输出端DC-；电容器C1一端与导流二极管D1阴极连接，另一端与电流采样电阻R1的一端和整流桥BD的DC-端连接；电阻R2a与电阻R2b串联构成电压采样电路，并联在电容器C1两端；负载电阻R并联在电容器C1两端；主控单片机的I/O.1管脚接在功率开关管Q1的源极和电流采样电阻R1之间，I/O.2管脚接在电阻R2a和电阻R2b之间，串口管脚COM接红外接收器，GND管脚接整流桥BD的DC-端；主控单片机的端口XALT1与XALT2外接一个晶体振荡电路，其中晶体谐振器Y一端接XALT1，另一端接XALT2，电容C2a与电容C2b串联后跨接在Y上，在电容C2a和电容C2b引出一条地线与GND连接；
或者，所述的市电的火线L与整流桥BD的交流输入端AC+连接；市电的零线N与整流桥BD的AC-端连接；功率开关管Q1的漏极与整流桥BD的DC+端连接，源极与导流二极管D的阴极、电感器L1的一端连接，栅极与主控单片机的端口I/O.0连接；导流二极管D的阳极通过电流采样电阻R1连接整流桥BD的DC-端；电感器L1的另一端通过电容器C1连接整流桥BD的DC-端；电阻R2a与电阻R2b串联构成电压采样电路，并联在电容器C1两端；负载电阻R并联在电容器C1两端；主控单片机的I/O.1管脚接在电流采样电阻R1与整流桥BD的DC-端口之间，I/O.2管脚接在电阻R2a和电阻R2b之间，串口管脚COM连接能够与外部进行信息双向传输的数据线，GND管脚接整流桥BD的DC-端；主控单片机的端口XALT1与XALT2外接一个晶体振荡电路，其中晶体谐振器Y一端接XALT1，另一端接XALT2，电容C2a与电容C2b串联后跨接在Y上，在电容C2a和电容C2b引出一条地线与GND连接；
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