CN106655752A - 开关电源pfc校正控制系统及其pwm信号产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关电源PFC校正控制系统及其PWM信号产生方法，属于功率因数校正技术领域。本发明采用的系统包括：EMI滤波模块，减少了开关电源对电网的污染；整流模块，将交流电转换为直流电；Boost升压模块，开关电源的PFC校正选择Boost升压拓扑；电流电压采样模块，通过A/D转换器对输入电流输入电压及输出电压进行信号采集；保护模块，保护开关电源因温度等不确定因数对开关电源造成的损坏；控制模块，利用FPGA高速并行处理产生PWM信号；驱动模块，PWM波通过驱动模块驱动Boost升压模块中的开关器件MOSFET。通过本发明，提高了开关电源PFC校正的精度并且使其控制更灵活。

Description

开关电源PFC校正控制系统及其PWM信号产生方法
技术领域
本发明涉及一种开关电源PFC校正控制系统及其PWM信号产生方法，属于功率因数校正技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，越来越多的电力电子设备被应用于各个领域，而在现代的电子产品中，不可获缺的就是电源装置。开关电源由于体积小、功耗低、稳压范围宽、效率高等优点被广泛应用。但开关电源的能量来源于电网，并通过整流装置与其相连。整流装置中经常含有二极管或者晶闸管等非线性元件与电容组成的电容滤波型桥式结构，这就造成了开关电源的输入阻抗为阻容性，因此即使输入电压的波形为正弦波，输入电流的波形也会因为阻抗为阻容性而呈现脉冲状，发生严重的畸变，谐波含量较高，污染电网。
为了解决谐波污染问题，科学家们提出了功率因数校正(Power FactorCorrection简写为PFC)技术。根据功率因数的计算公式可以通过提高谐波因数γ或相位因数使功率因数达到1。因此，提高PF需要做两个工作：一是稳定输出电压，使其近似恒定；二是通过控制输入电流，使得输入电流与输入电压同相位，且波形跟随输入电压。现在通常应用电压外环与电流内环共同控制的控制策略来控制输出电压、输入电流。因此，在达到功率因数校正目的的前提下研究不同的控制方法，简化控制电路具有重要意义。目前，已经有很多用DSP微处理器来通过一定的控制方法来产生PWM信号的研究，但DSP采样频率不高并且处理算法时速度较慢，导致PFC校正在高频率、高精度场合不能满足要求。随着集成逻辑器件的飞速发展，利用可编程逻辑器件高速并行处理能够提高处理速度和集成化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种开关电源PFC校正控制系统及其PWM信号产生方法，解决了上述单片机和DSP处理速度慢的问题，并且能够更加精确地提高功率因数，使其控制更灵活。
本发明采用的技术方案是：一种开关电源PFC校正控制系统，包括EMI滤波模块1、整流模块2、Boost升压模块3、电流电压采样模块4、保护模块5、控制模块6、驱动模块7、显示模块8；
所述EMI滤波模块1的输入端接交流电源，输出端与整流模块2的输入端连接，整流模块2的输出端与Boost升压模块3的输入端连接，Boost升压模块3的输出端与电流电压采样模块4的输入端连接，电流电压采样模块4、保护模块5的输出端均与控制模块6的输入端连接，控制模块6的输出端分别连接驱动模块7、显示模块8，驱动模块7的输出端连接Boost升压模块3的输入端，控制模块6内部设有FPGA器件，FPGA器件内部的数据处理模块采用平均电流控制方式产生PWM控制信号，所述的FPGA器件为EP4CE6F17C8。
所述的FPGA器件内设有A/D驱动模块，电流电压采样模块4内部设有A/D转换电路控制端，A/D驱动模块通过输出接口与A/D转换电路控制端相连。
所述的电流电压采样模块4内部的A/D转换电路控制端为ALINX9226，采用AD9226芯片。
一种开关电源PFC校正控制系统的PWM信号产生方法，所述平均电流控制方式包括:所述平均电流控制方式包括:与整流模块2连接的电阻R1，电阻R1一端与R2串联接地，另一端与电感L连接，电感L接Boost升压模块3中开关管MOSFET漏极，MOSFET源极接地，MOSFET漏极与二极管阳极相接，二极管阴极接稳压电容C接地，负载R3与电容C并联，电阻R4与R5串联接地，FPGA器件的三路AD采样ADCIN0、ADCIN1、ADCIN2分别接电感输入端、a点和b点，FPGA内部的处理器对输出电压Vo、输入电压Vi、电感电流iL的采样检测分别由Kd、Kf、Ks来表示；Km为乘法器增益，可以在输入电流在一定范围内变化时，使参考电流信号随其变化；PFC的输出Vo与参考Vref相比较，其差值Verror经电压环Gve输出控制信号vc，vc与输入电压Vi的采样信号KfVi及其输入前馈信号相乘得到电流参考信号iref，iL的采样信号KsiL与iref比较后，其差值经过电流环Gic输出控制信号uca，uca经比例Fm后与三角波比较得到PWM波，PWM波通过驱动模块7接开关管MOSFET,
其中，
本发明的有益效果在于：使用硬件描述语言完成传统数字逻辑电路和模拟电路的设计，而且利用FPGA高速并行处理、处理能力强的特点，加快了采样数据处理算法的运算速度，克服单片机和DSP导致的运算速度慢的缺点，提高了功率因数校正的精度并使其控制更灵活。
附图说明
图1是本发明采用系统的连接框图；
图2是图1对应的硬件系统主体设计示意图；
图3是本发明平均电流控制方式的工作原理图。
图4是图2中高温保护电路12的部分原理图。
图中各标号为：1-EMI滤波模块，2-整流模块，3-Boost升压模块，4-电流电压采样模块，5-保护模块，6-控制模块，7-驱动模块，8-显示模块，9-EMI滤波电路，10-整流电路，11-Boost升压电路，12-温度采集电路，13-电流电压采样电路，14-FPGA器件，15-驱动电路，16-显示电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。
实施例1，如图1-4所示，一种开关电源PFC校正控制系统，包括：EMI滤波模块1，减少了开关电源对电网的污染；整流模块2，将交流电转换为直流电；Boost升压模块3，本发明开关电源的PFC校正选择Boost升压拓扑；电流电压采样模块4，通过A/D转换器对输入电流输入电压及输出电压进行信号采集；保护模块5，保护开关电源因温度等不确定因数对开关电源造成的损坏；控制模块6，利用FPGA高速并行处理产生PWM信号；驱动模块7，PWM波通过驱动模块驱动Boost升压模块中的开关器件MOSFET，使得输入电流相位跟随输入电压相位，以此来提高开关电源的功率因数，减少输入侧谐波。
所述EMI滤波模块1的输入端接交流电源，输出端与整流模块2的输入端连接，整流模块2的输出端与Boost升压模块3的输入端连接，Boost升压模块3的输出端与电流电压采样模块4的输入端连接，电流电压采样模块4、保护模块5的输出端均与控制模块6的输入端连接，控制模块6的输出端分别连接驱动模块7、显示模块8，驱动模块7的输出端连接Boost升压模块3的输入端，控制模块6内部设有FPGA器件，FPGA器件内部的数据处理模块采用平均电流控制方式产生PWM控制信号。
所述控制模块FPGA器件采用Altera公司生产的Cyclone IV系列EP4CE6F17C8，所述的FPGA器件内部的A/D驱动模块通过输出接口与电流电压采样模块的A/D转换电路控制端相连；FPGA器件内部的数据输入接口与其内部的数据处理模块相连。
其中平均电流控制方式是指检测到的输入电压信号与电压补偿器的输出信号经过乘法器产生电流基准值，采样的电感电流信号与基准电流经过电流比较器和补偿器后产生PWM信号。
进一步地，所述的电流电压采样模块4内部的A/D转换电路控制端为ALINX9226，采用AD9226芯片。
所述一种开关电源PFC校正的控制方法的硬件设计示意图如图2所示，主要包括EMI滤波电路9，整流电路10，Boost升压电路11，高温保护电路12，电流电压采样电路13，FPGA器件14和驱动电路15。
所述EMI滤波电路9采用一个二阶的LC滤波器，其取值原则是在最小的体积下达到最好的滤波效果，减少开关电源对电网的污染；所述整流电路10，采用整流桥LM317将交流电转换为直流电；所述Boost升压电路11，本发明开关电源的PFC校正选择Boost升压拓扑；所述电流电压采样电路13，通过给A/D转换模块ALINX9226提供时钟CLOCK，将电感电流输入电压及输出电压的模拟信号转换成数字信号，进行信号采集。
所述高温保护电路12，保护开关电源因温度等不确定因数对开关电源造成的损坏，图4为温度采集电路，采用TMP102-Q1低功耗数字温度传感器，由于TMP102-Q1功率很低在电源中会产生低噪声，所以在其V+管脚上添加一个RC滤波器，电阻小于等于5KΩ，电容小于等于10nF，FPGA通过采集到的温度信号判断是否输出控制信号。
所述驱动电路15，驱动电路为互补三极管驱动，实现MOSFET的快速关断减少开关损耗。
所述平均电流控制方式具体工作原理图如图3所示，整流电路10接电阻R1,电阻R1一端与R2串联接地，另一端与电感L连接，电感L接Boost升压电路11中开关管MOSFET漏极，MOSFET源极接地，MOSFET漏极与二极管阳极相接，二极管阴极接稳压电容C接地，负载R3与电容C并联，电阻R4与R5串联接地。FPGA器件的三路AD采样ADCIN0、ADCIN1、ADCIN2分别接电感输入端、a点和b点。FPGA内部的处理器对输出电压Vo、输入电压Vi、电感电流iL的采样检测分别由Kd、Kf、Ks来表示；Km为乘法器增益，可以在输入电流在一定范围内变化时，使参考电流信号随其变化；PFC的输出Vo与参考Vref相比较，其差值Verror经电压环Gvc输出控制信号vc，vc与输入Vi的采样信号KfVi及其输入前馈信号相乘得到电流参考信号iref，iL的采样信号KsiL与iref比较后，其差值经过电流环Gic输出控制信号uca，uca经比例Fm后与三角波比较得到PWM波，PWM波通过驱动电路15接开关管MOSFET，
其中，
具体地，所述一种开关电源PFC校正的控制方法由片上可编程逻辑电路与外围电路两部分组成。
所述片上可编程逻辑电路采用FPGA器件14，在Altera Quartus II开发环境下，用任何一个HDL语言(如VHDL或Verilog)，编写3个逻辑模块。3个逻辑模块分别为A/D驱动模块、数据输入模块、综合数据处理模块。将这个3个模块连接成完整电路，编译并生成用户设计的逻辑电路的固件，通过JTAG接口下载到FPGA中进行在线调试。调试通过后的固件，可通过AS接口下载并保存到Flash存储器中，这样FPGA上电后，系统自动配置，得到所需的逻辑电路。可以读取前置Boost电路的采样信号，进行实时处理。
所述外围电路主要由EMI滤波电路9、整流电路10、温度采集电路12、电流电压采样电路13、驱动电路15组成。
所述EMI滤波电路9是一种由电容和电感组成的低通滤波电路，它允许直流或者是工频信号通过，对频率较高的其他信号有较好的衰减作用；EMI输入端与电网相接，其输出端连接整流电路输入端将交流电转换为直流电，整流电路输出端与Boost升压电路11输入端连接；温度采集电路12输入端与Boost升压电路11相连，其输出端连接FPGA器件14输入端，当系统温度过高时，FPGA器件14停止向驱动电路输送信号，等待系统温度恢复稳定在工作温度范围内后继续输出信号；电流电压采样电路13输入端通过探头获取输入电压、输出电压和电感电流数字信号，其输出端与FPGA器件14相接，FPGA器件14内部处理器通过一定算法输出控制信号给驱动电路15输入端，驱动电路15输出端与Boost升压电路11输入端连接。
以上所述为本发明实施例的详细说明，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有任何修改和变化所作的任何修改都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种开关电源PFC校正控制系统，其特征在于：包括EMI滤波模块(1)、整流模块(2)、Boost升压模块(3)、电流电压采样模块(4)、保护模块(5)、控制模块(6)、驱动模块(7)、显示模块(8)；
所述EMI滤波模块(1)的输入端接交流电源，输出端与整流模块(2)的输入端连接，整流模块(2)的输出端与Boost升压模块(3)的输入端连接，Boost升压模块(3)的输出端与电流电压采样模块(4)的输入端连接，电流电压采样模块(4)、保护模块(5)的输出端均与控制模块(6)的输入端连接，控制模块(6)的输出端分别连接驱动模块(7)、显示模块(8)，驱动模块(7)的输出端连接Boost升压模块(3)的输入端，控制模块(6)内部设有FPGA器件，FPGA器件内部的数据处理模块采用平均电流控制方式产生PWM控制信号，所述的FPGA器件为EP4CE6F17C8。
2.根据权利要求1所述的开关电源PFC校正控制系统，其特征在于：所述的FPGA器件内设有A/D驱动模块，电流电压采样模块(4)内部设有A/D转换电路控制端，A/D驱动模块通过输出接口与A/D转换电路控制端相连。
3.根据权利要求2所述的开关电源PFC校正控制系统，其特征在于：所述的电流电压采样模块(4)内部的A/D转换电路控制端为ALINX9226，采用AD9226芯片。
4.一种开关电源PFC校正控制系统的PWM信号产生方法，其特征在于：所述平均电流控制方式包括:与整流模块(2)连接的电阻R1，电阻R1一端与R2串联接地，另一端与电感L连接，电感L接Boost升压模块(3)中开关管MOSFET漏极，MOSFET源极接地，MOSFET漏极与二极管阳极相接，二极管阴极接稳压电容C接地，负载R3与电容C并联，电阻R4与R5串联接地，FPGA器件的三路AD采样ADCIN0、ADCIN1、ADCIN2分别接电感输入端、a点和b点，FPGA内部的处理器对输出电压Vo、输入电压Vi、电感电流iL的采样检测分别由Kd、Kf、Ks来表示；Km为乘法器增益，可以在输入电流在一定范围内变化时，使参考电流信号随其变化；PFC的输出Vo与参考Vref相比较，其差值Verror经电压环Gve输出控制信号vc，vc与输入电压Vi的采样信号KfVi及其输入前馈信号相乘得到电流参考信号iref，iL的采样信号KsiL与iref比较后，其差值经过电流环Gic输出控制信号uca，uca经比例Fm后与三角波比较得到PWM波，PWM波通过驱动模块(7)接开关管MOSFET,
其中，
G v c = 2 πf c v CV O K d K - - - ( 1 )
K = 1.11 2 K m K f K s - - - ( 2 )
G i c = 2 πf c i L V O K s - - - ( 3 ) .
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