CN102761240B - 一种智能嵌入式实现的功率因数校正器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能嵌入式实现的功率因数校正器及其控制方法，以嵌入式芯片为核心的PFC处理器，全波整流电路、过流保护电路、双限压控制电路、DC/DC转换电路、电感器L、二极管D、电容器C和功率开关管Q。本发明具备以下的优点：1）直接将占空比以数据的形式存储在芯片中来输出PWM控制波，省去了用传统的反馈电路的方法，简化了电路结构，减少了元器件的使用量，使得处理过程简单、方便。2）处理器可根据实际需求对程序进行实时调节，不需要频繁对硬件进行修改。3）实现电压恒定输出功能，满足负载需求。4）实现遥控调压功能，更加方便用户使用。5）实现电路的软启动和软关断，保护电路元器件。6）实现过流保护，确保电路安全。

Description

一种智能嵌入式实现的功率因数校正器及其控制方法

技术领域

本发明属于功率因数校正(PFC)器电路拓扑及其控制方法，尤其涉及采用智能嵌入式实现的功率因数校正(PFC)器和控制方法。

背景技术

现代电源的主要发展趋向之一是提高AC/DC变换器输入端功率因数，减少对电网的谐波污染。目前研究和应用的功率因数校正(PFC)的控制方法比较多，如专利申请号为200920175503.7的新型数控电源PFC电路，实现电路如图1所示。其特征在于：包括输入电路和输出电路，所述输入电路和输出电路之间设置有二相交互BOOST拓扑变换器，输出电路通过反馈电路连接DSP处理器，所述DSP处理器通过门驱动电路接入二相交互BOOST拓扑变换器，所述DSP处理器包括PID运算模块、ADC模块和多个PWM模块，所述反馈电路通过ADC模块接入PID运算模块，所述PID运算模块通过多个PWM模块接入门驱动电路。

虽然该电路可以保持输入电流正弦，得到高的输入功率因数，具有抑制各种高频谐波电流，能有效地改善电压波形畸变和电流尖峰的功能。但这种电路的最大缺点是电路结构复杂，元器件数量多，尤其在中小功率场合应用时，很不经济。因而研究一种更简捷的方法来实现功率因数校正(PFC)功能已成为很现实的要求。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种智能嵌入式实现的功率因数校正器及其控制方法，解决了现有技术中电路结构复杂，元器件数量多，功能单一等不足，提高实用性能。

技术方案

一种智能嵌入式实现的功率因数校正器，其特征在于包括PFC处理器、全波整流电路、过流保护电路、双限压控制电路、DC/DC转换电路和信号接收器；交流市电输入端顺序联接全波整流电路、过流保护电路和DC/DC转换电路，然后输出直流信号；双限压控制电路联接于DC/DC转换电路的输出端，将输出的直流信号比较后的结果作为反馈信号传给PFC处理器，PFC处理器根据反馈信号来控制PWM波的输出，并以此PWM波调整DC/DC转换电路的直流信号；所述PFC处理器包括CPU处理模块、并行I/O口、可编程串行口、程序存储器、定时器/计数器、PWM发生器和占空比数据存储单元；并行I/O口、可编程串行口、程序存储器、定时器/计数器、PWM发生器和占空比数据存储单元通过内部总线与CPU处理模块进行数据交流；并行I/O口接收输入的双限压控制电路的直流信号比较的电压采样信号，并行I/O口输出PWM脉冲；可编程串行口与在线编程端口进行信息交互。

在PFC处理器的串口管脚COM上连接一个接收用户遥控信息的红外接收器。

所述PFC处理器、全波整流电路、过流保护电路、双限压控制电路、DC/DC转换电路和信号接收器的电路结构为：市电的火线L与整流桥BD的交流输入端AC+连接；交流市电的零线N与整流电路AC-端连接；电感器L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Q的漏极和二极管D的阳极相连；开关管Q的源极接过流保护电路的一端，开关管的栅极接PFC处理器的一个端口I/O.0；过流保护电路的另一端接整流桥BD的直流输出端DC-；电容器C一端与二极管D阴极连接，另一端与过流保护电路的一端和整流桥BD的DC-端连接；电阻Ra与电阻Rb串联之后，Ra一端与电容器C和二极管D的阴极连接，Rb一端与电感器C另一端、过流保护电路的一端和整流桥BD的DC-端连接；负载电阻R一端与电阻Ra的一端、电容器的一端和二极管的阴极连接，R的另一端与电阻Rb的一端、电容器C的另一端、过流保护电路的一端和整流桥的DC-端连接；比较器0和比较器1的负极接在Ra和Rb之间，正极分别接参考基准电压V1、V2，比较器0的输出口接在单片机的端口I/O.2管脚，比较器1的输出口接在单片机的端口I/O.1管脚；串口管脚COM连接数据线接收外部信息。

一种利用所述智能嵌入式实现的功率因数校正器的控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将市电进行整流后变成频率为交流市电两倍的直流信号；

步骤2：在一个直流信号周期内取N个等分的时刻点，再通过占空比计算公式：得到电路中控制PWM脉冲输出的占空比数据Dn，其中n=0，1，…，N-1；K为电路的系统参数；

步骤3：将该组占空比数据Dn存入PFC处理器中，用定时器0将PWM信号的周期固定为Ts=T/N，用定时器1控制PWM信号的脉冲宽度Ton=Ts×Dn。进而，控制嵌入式芯片输出周期Ts恒定，占空比为Dn的PWM信号；其中：T为整流后输入电压周期；所述n=0，1，…，N-1；

同时，嵌入式芯片根据双压控制电路得到的输出反馈信号调节输出PWM信号的占空比，具体方法为：

（1）设定选定负载所需电压的上下限为两个基准电压V1和V2，其中V1>V2；

（2）将采样电压值Vs与V1和V2进行比较，当Vs大于V1时，比较器0输出高电平，处理器检测到比较器0输出的高电平后，减小输出PWM信号的占空比使得Vs小于V1；当Vs小于V2时，比较器1输出高电平，处理器检测到比较器1输出的高电平后，增大PWM信号的占空比使得Vs大于V2为止；当V1>Vs>V2时，处理器对PWM信号占空比不做调整；

步骤4：以PWM发生器输出的脉冲信号控制开关管的导通与关断，调整电路中输入电流的波形，使其与输入电压的波形同频同相，实现电路功率因数的校正。

有益效果

本发明提出的一种智能嵌入式实现的功率因数校正器及其控制方法，以嵌入式芯片为核心的PFC处理器，此外还应用了市电、全波整流电路、过流保护电路、双限压控制电路、DC/DC转换电路、电感器L、二极管D、电容器C和功率开关管Q。本发明除了具备传统PFC电路的功能外还具备以下的优点：1）直接将占空比以数据的形式存储在芯片中来输出PWM控制波，省去了用传统的反馈电路的方法，简化了电路结构，减少了元器件的使用量，使得处理过程简单、方便。2）处理器可根据实际需求对程序进行实时调节，不需要频繁对硬件进行修改。3）实现电压恒定输出功能，满足负载需求。4）实现遥控调压功能，更加方便用户使用。5）实现电路的软启动和软关断，保护电路元器件。6）实现过流保护，确保电路安全。

附图说明

图1：本发明电路的总体框图；

图2：本发明电路中PFC处理器内部主要模块的框图；

图3：本发明基于升压型转换器实现的实施实例电路原理图；

图4：为实施实例输入电压Vin、输入电流Iin和输出电压Vout的仿真结果；

图5：为现有技术中新型数控电源PFC电路原理框图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参见图3，依据本案构想并基于BOOST升压型转换器实现的实施实例主要包括交流市电输入、全波整流桥BD、过流保护电路、双限压控制电路、电感器L、功率开关管Q、二极管D、电容器C、负载电阻R以及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L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Q的漏极和二极管D的阳极相连；开关管Q的源极接过流保护电路的一端，开关管的栅极接PFC处理器的一个端口I/O.0；过流保护电路的另一端接整流桥BD的直流输出端DC-；电容器C一端与二极管D阴极连接，另一端与过流保护电路的一端和整流桥BD的DC-端连接；电阻Ra与电阻Rb串联之后，Ra一端与电容器C和二极管D的阴极连接，Rb一端与电感器C另一端、过流保护电路的一端和整流桥BD的DC-端连接；负载电阻R一端与电阻Ra的一端、电容器的一端和二极管的阴极连接，R的另一端与电阻Rb的一端、电容器C的另一端、过流保护电路的一端和整流桥的DC-端连接；比较器0和比较器1的负极接在Ra和Rb之间，正极分别接参考基准电压V1、V2，比较器0的输出口接在单片机的端口I/O.2管脚，比较器1的输出口接在单片机的端口I/O.1管脚；串口管脚COM连接红外接收器接收用户遥控信息。

所述的PFC处理器由常用单片机实现，主要结构包括：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、COM口。

PFC处理器作为本发明的核心部分，其具体控制方法如下：

市电经过整流后，变成频率为交流市电两倍的直流信号。在一个直流信号周期内取N个等分的时刻点，再通过占空比计算公式：取得电路中控制PWM脉冲输出的占空比数据。其中n=0，1，…，N-1，K由电路的输入电压、电感、电容、负载以及输出电压等系统参数决定，N则是根据开关频率和电网电压频率确定的所需占空比数据数目。

将该组占空比数据Dn(其中n=0，1，…，N-1)存入PFC处理器中，通过编程输出与这组占空比相对应的PWM脉冲控制信号。具体编程方法为：用定时器0将PWM信号的周期固定为Ts=T/N，T为整流后输入电压周期。用定时器1控制PWM信号的脉冲宽度Ton=Ts×Dn。进而，控制嵌入式芯片输出周期Ts恒定，占空比为Dn的PWM信号。PWM发生器输出的脉冲信号控制开关管的导通与关断，进而调整电路中输入电流的波形，使其与输入电压的波形同频同相，实现电路功率因数的校正。

在本实施实例中，50Hz市电经过整流后，变为峰值电压为311V、频率为100Hz的直流信号。在一个直流信号周期内取N个等分的时刻点，其中开关频率为10kHz，故计算N=10k/100=100。再由负载电阻值为R=320Ω、电感L=3mH以及电容C=470μF得知K=0.66，加上占空比计算公式n=0，1，…，N-1可取得每个直流信号周期内控制PWM脉冲信号的100个占空比数据Dn，从而求得PWM信号的脉冲宽度Ton=Ts×Dn。PWM信号的周期Ts=1/(2·f·N)=100μS，其中f＝50Hz为市电频率。

PFC处理器包含有占空比数据存储单元、PWM波输出程序、限压功能实现程序、调压功能实现程序以及信号接收器等。处理器具有在线可编程能力，可根据实际需求对程序进行实时调节，不需要频繁对硬件进行修改。

此外，在程序中加入了实现电路软启动和软关断的代码，即采用逐步将电路启动时相应的控制PWM波输出的占空比数据由小调大以及电路关断时相应的控制PWM波输出的占空比数据由大调小的方法来实现电路的软启动和软关断。

双限压控制电路是在市电有效值及负载参数发生变化时，为处理器提供一个占空比调节信号，控制处理器对预存的占空比数据做出相应的调整，使得负载工作所需的输出电压可以控制在一定范围内。具体控制过程为：由于输出电压存在大于负载需求、满足负载需求以及小于负载需求三种情况，故需要使用两个比较器来判断输出的这三种不同情况。先选定负载所需电压的上下限，即两个基准电压V1和V2，其中V1>V2。然后用电压采样电路得到的采样电压值Vs分别与V1和V2进行比较，判断Vs与V1、V2的大小。当Vs大于V1时，比较器0输出高电平。处理器检测到比较器0输出的高电平后，根据程序存储器中预存的限压功能实现程序相应的减小输出PWM信号的占空比，直到Vs小于V1为止。同理，当Vs小于V2时，比较器1输出高电平。处理器接收到传来的反馈信号，根据程序存储器中预存的限压功能实现程序相应的增大PWM信号的占空比，直到Vs大于V2为止。当V1>Vs>V2时，处理器对PWM信号占空比不做调整。从而通过调节输出PWM信号占空比的大小可满足输出电压控制在负载所需范围内，实现限压。

此外，外部信号接收器时刻准备接收遥控器发来的用户指令，接收器将收到的信号数据后返回给程序存储器中预存的调压功能实现程序，作为程序的调压参数。调压功能实现程序根据调压参数重新设定基准电压V1和V2，双限压控制电路则根据新设定的基准电压来调节输出电压，最终完成调压。

本例采用直接将包含有一组控制PWM波输出的占空比数据存储在处理器的占空比数据存储单元中，并根据PWM波输出程序利用这组数据产生相应的PWM波的方法来实现调节。其中占空比数据通过电路的输入电压、电感电流以及输出电压之间的关系分析计算取得。为防止电路在启动和关断时出现的冲击电流对电路元器件造成损坏，在PWM波输出程序中加入了实现电路软启动和软关断的代码，即采用逐步将电路启动时相应的控制PWM波输出的占空比数据由小调大以及电路关断时相应的控制PWM波输出的占空比数据由大调小的方法来实现电路的软启动和软关断。通过过流保护电路实现过流保护功能。过流保护电路采用传统的典型开关管保护电路实现，当输出电流高于负载容限的情况下，自动关断电流输出，保护用电设备，确保电路安全可靠。双限压控制电路是在市电有效值及负载参数发生变化时，为处理器提供一个占空比调节信号，控制处理器对预存的占空比数据做出相应的调整。具体控制过程为：由于输出电压存在大于负载需求、满足负载需求以及小于负载需求三种情况，故需要使用两个比较器来判断输出的这三种不同情况。先选定负载所需电压的上下限，即两个基准电压V1和V2，其中V1>V2。然后用电压采样电路得到的采样电压值Vs分别与V1和V2进行比较，判断Vs与V1、V2的大小，将比较后的结果作为反馈信号传给处理器，限压功能实现程序根据反馈信号来控制PWM波输出程序，再依据占空比和输出电压之间的关系调节占空比大小：当Vs>V1时将占空比调小，当Vs<V2时将占空比调大，介于两者之间时维持原状。从而可满足输出电压控制在负载所需范围内。调压功能实现程序可控制负载电压的大小，进而可实现对负载功率的调节。具体控制过称为：外部信号接收器收到用户指令后，可以将接收到的数据返回给调压功能实现程序，作为程序的调压参数。调压功能实现程序控制限压功能实现程序重新设定基准电压V1、V2并相应调节占空比大小，完成调压。调压功能可实现：当负载为LED灯时调节其发光亮度，当负载为电风扇时调节其扇叶转速，当负载为电暖器时调节其热度，等等，此处不再一一举例。

图4所示的仿真结果表明本案完全达到了所述的发明效果。

Claims (1)

1.一种智能嵌入式实现的功率因数校正器的控制方法，所述的智能嵌入式实现的功率因数校正器包括PFC处理器、全波整流桥BD、过流保护电路、双限压控制电路、DC/DC转换电路和信号接收器；交流市电输入端顺序联接全波整流桥BD、过流保护电路和DC/DC转换电路，然后输出直流信号；双限压控制电路联接于DC/DC转换电路的输出端，将输出的直流信号比较后的结果作为反馈信号传给PFC处理器，PFC处理器根据反馈信号来控制PWM波的输出，并以此PWM波调整DC/DC转换电路的直流信号；所述PFC处理器包括CPU处理模块、并行I/O口、可编程串行口、程序存储器、定时器/计数器、PWM发生器和占空比数据存储单元；并行I/O口、可编程串行口、程序存储器、定时器/计数器、PWM发生器和占空比数据存储单元通过内部总线与CPU处理模块进行数据交流；并行I/O口接收输入的双限压控制电路的直流信号比较的电压采样信号，并行I/O口输出PWM脉冲；可编程串行口与在线编程端口进行信息交互，在PFC处理器的串口管脚COM上连接一个接收用户遥控信息的信号接收器，所述PFC处理器、全波整流桥BD、过流保护电路、双限压控制电路、DC/DC转换电路和信号接收器的电路结构为：市电的火线L与全波整流桥BD的交流输入端AC+连接；交流市电的零线N与全波整流桥BD AC-端连接；电感器L的一端与全波整流桥BD的直流输出端DC+连接，另一端与功率开关管Q的漏极和二极管D的阳极相连；开关管Q的源极接过流保护电路的一端，开关管的栅极接PFC处理器的一个端口I/O.0；过流保护电路的另一端接全波整流桥BD的直流输出端DC-；电容器C一端与二极管D阴极连接，另一端与过流保护电路的一端连接，然后过流保护电路的另一端再与全波整流桥BD的DC-端连接；电阻Ra与电阻Rb串联之后，Ra一端与电容器C一端和二极管D的阴极连接，Rb一端与电容器C另一端、过流保护电路的一端连接，然后过流保护电路的另一端再与全波整流桥BD的DC-端连接；负载电阻R一端与电阻Ra的一端、电容器的一端和二极管的阴极连接，R的另一端与电阻Rb的一端、电容器C的另一端、过流保护电路的一端连接，然后过流保护电路的另一端再与全波整流桥BD的DC-端连接；比较器0和比较器1的负极接在Ra和Rb之间，正极分别接参考基准电压V1、V2，比较器0的输出口接在PFC处理器的端口I/O.2管脚，比较器1的输出口接在PFC处理器的端口I/O.1管脚；串口管脚COM连接数据线接收外部信息，其特征在于步骤如下：

步骤1：将市电进行整流后变成频率为交流市电两倍的直流信号；

步骤2：在一个直流信号周期内取N个等分的时刻点，再通过占空比计算公式：得到电路中控制PWM脉冲输出的占空比数据Dn，其中n＝0，1，…，N-1；K为电路的系统参数；

步骤3：将该组占空比数据Dn存入PFC处理器中，用定时器0将PWM信号的周期固定为Ts＝T/N，用定时器1控制PWM信号的脉冲宽度Ton＝Ts×Dn；进而，PFC处理器输出周期Ts恒定，占空比为Dn的PWM信号；其中：T为整流后输入电压周期；所述n＝0，1，…，N-1；

同时，PFC处理器根据双限压控制电路得到的输出反馈信号调节输出PWM信号的占空比，具体方法为：

(1)设定选定负载所需电压的上下限为两个基准电压V1和V2，其中V1>V2；

(2)将采样电压值Vs与V1和V2进行比较，当Vs大于V1时，比较器0输出高电平，处理器检测到比较器0输出的高电平后，减小输出PWM信号的占空比使得Vs小于V1；当Vs小于V2时，比较器1输出高电平，处理器检测到比较器1输出的高电平后，增大PWM信号的占空比使得Vs大于V2为止；当V1>Vs>V2时，处理器对PWM信号占空比不做调整；

步骤4：以PWM发生器输出的脉冲信号控制开关管的导通与关断，调整电路中输入电流的波形，使其与输入电压的波形同频同相，实现电路功率因数的校正。