【導(dǎo)讀】許多超過(guò)某一功耗水平的交流供電系統(tǒng)都需要進(jìn)行功率因數(shù)校正（PFC），這是電力公司或政府的要求。PFC位于系統(tǒng)輸入端，在二極管橋式整流器后面，但在所有輸入電容之前。PFC電路的作用是確保輸入端的電壓和電流彼此同相。換言之，PFC是輸送至電路負(fù)載的平均功率與視在功率之比。
除了降低視在功率以外，PFC電路還有助于大幅降低輸入線路上的失真。無(wú)PFC情況下，負(fù)載產(chǎn)生的THD（總諧波失真）會(huì)對(duì)由同一電網(wǎng)供電的其他電路造成不利影響。PFC電路會(huì)優(yōu)化功率因數(shù)，同時(shí)降低THD。許多系統(tǒng)中，功率因數(shù)的重要性不及高THD帶來(lái)的干擾。
本文介紹一種利用ADI公司帶監(jiān)控功能的ADP1047和ADP1048數(shù)字PFC控制器設(shè)計(jì)極其靈活且功能豐富的PFC電路的簡(jiǎn)單方法。設(shè)計(jì)工作利用直觀的圖形用戶(hù)界面完成。另外還會(huì)結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用討論這種方法的優(yōu)勢(shì)。
不同PFC電路
PFC電路通常采用升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且位于交流整流器電橋正后方。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)迫使輸入電流與輸入電壓同相。結(jié)果，負(fù)載在交流電源看來(lái)是一個(gè)純無(wú)源負(fù)載電阻。對(duì)于較高的功率水平，可以使用交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最常見(jiàn)的是雙通道交錯(cuò)操作，這與讓兩個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器并聯(lián)并分擔(dān)負(fù)載并無(wú)不同。在PFC之外，類(lèi)似方法稱(chēng)為“多相”。對(duì)于電流在不同的并聯(lián)降壓電路之間分配，并且輸出合并在一起的情況，降壓型調(diào)節(jié)器會(huì)使用術(shù)語(yǔ)“多相”。在PFC中，此功能不使用術(shù)語(yǔ)“相位”，原因是它會(huì)引起很多混淆。多相用于一個(gè)以上相位交流電源輸入的PFC電路。因此，描述負(fù)載功率在多個(gè)并聯(lián)升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間分配時(shí)，術(shù)語(yǔ)“交錯(cuò)”更常用。
為了實(shí)現(xiàn)非常高的電源效率，也可以不使用電橋。這種情況下可以省去二極管橋式整流器。在有二極管橋式整流器的交錯(cuò)操作中，兩個(gè)通道在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期之后交替工作。但是，在無(wú)電橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一個(gè)通道在交流輸入電壓的正半波周期中切換，另一個(gè)通道在負(fù)半波周期中切換。圖1給出了這三個(gè)基本電路的原理圖。最上方顯示最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方案，中間顯示交錯(cuò)概念，最下方顯示無(wú)電橋配置。當(dāng)然，還有很多其他電路方案都是可行的。例如，對(duì)于高功率和高效率操作，可以將交錯(cuò)式操作與無(wú)電橋配置結(jié)合起來(lái)。顯然，這種設(shè)計(jì)需要許多元件，可能會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜。ADP1047設(shè)計(jì)用于單通道PFC，ADP1048則提供交錯(cuò)式和無(wú)電橋操作能力。為此，它提供均流功能和兩個(gè)不同的PWM輸出信號(hào)。
圖1. 不同PFC電路
使用數(shù)字PFC控制器的靈活性
多數(shù)PFC轉(zhuǎn)換器是模擬型系統(tǒng)。然而，利用當(dāng)今的數(shù)字式衍生產(chǎn)品，例如ADI公司的ADP1047和ADP1048，設(shè)計(jì)人員可以獲得數(shù)字產(chǎn)品提供的極大靈活性。用可編程數(shù)字濾波器代替硬件元件，便可針對(duì)高速工作優(yōu)化環(huán)路穩(wěn)定性，使電路足夠穩(wěn)定。雖然這些器件采用均流模式控制環(huán)路，但實(shí)際上有多個(gè)不同的環(huán)路可以獨(dú)立編程。其中存在低線和高線電流濾波器，以及快速電壓補(bǔ)償濾波器。
可以設(shè)置PFC的輸出電壓，使其根據(jù)負(fù)載電流而變化。這樣可以提高整個(gè)系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換效率。此外，還可以非常細(xì)致地調(diào)整軟啟動(dòng)特性。
監(jiān)控系統(tǒng)輸入端的電壓和電流很有價(jià)值
除了數(shù)字控制環(huán)路以外，ADP1047和ADP1048還提供精確的電壓和電流監(jiān)控功能。它們能檢測(cè)輸入和輸出電壓，以及輸入電流。檢測(cè)到的模擬值通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。電感電流（等于輸入電流）既可利用電流檢測(cè)電阻直接測(cè)量（精度最高），也可利用兩個(gè)電流互感器和功率開(kāi)關(guān)/升壓二極管串聯(lián)間接測(cè)量。無(wú)論使用何種檢測(cè)方法，都可以在系統(tǒng)中校準(zhǔn)檢測(cè)以提高測(cè)量精度。這種校準(zhǔn)通常是與生產(chǎn)測(cè)試一起完成，校準(zhǔn)值存儲(chǔ)在ADP1047和ADP1048的EEPROM中。除電壓和電流外，還可以校準(zhǔn)外部溫度傳感器。
測(cè)得的電壓和電流相關(guān)信息用于操作、控制和保護(hù)，但也可通過(guò)PMBus提供給系統(tǒng)中的其他電路用于監(jiān)控。PFC的輸入功率具有特別重要的意義，因?yàn)樗芴峁╆P(guān)于系統(tǒng)潛在故障的信息。為了幫助系統(tǒng)安全可靠地工作，可以設(shè)置不同的中斷，如標(biāo)志等。電壓和電流信息以及寄存器設(shè)置可以通過(guò)集成的PMBus接口訪問(wèn)。
圖形用戶(hù)界面使設(shè)計(jì)無(wú)需編程技能
富有經(jīng)驗(yàn)的電源設(shè)計(jì)工程師通常不擅長(zhǎng)編寫(xiě)代碼，因此，該P(yáng)FC解決方案采取的辦法是把電路的數(shù)字方面縮減為易用的圖形用戶(hù)界面（GUI）。圖2所示為該軟件的屏幕截圖。所有可以更改的參數(shù)皆以圖形化方式顯示在不同的設(shè)置和監(jiān)控屏幕上。這樣，評(píng)估和編程設(shè)置ADP1047和ADP1048更為安全，因?yàn)榕c一般微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器編程相比，這些芯片的內(nèi)部狀態(tài)機(jī)減少了用戶(hù)犯錯(cuò)的空間。
展示GUI能力的一個(gè)例子是調(diào)整軟啟動(dòng)特性。單擊鼠標(biāo)便可調(diào)整啟動(dòng)的輸入電壓閾值。隨后設(shè)置浪涌電流時(shí)間延遲。浪涌控制用于在電路啟動(dòng)之前，對(duì)PFC電路的輸出電容進(jìn)行預(yù)充電。這常常是通過(guò)繼電器或MOSFET實(shí)現(xiàn)。圖2所示屏幕截圖的中間顯示，調(diào)整此浪涌時(shí)序是何等簡(jiǎn)便。圖2下方顯示，用戶(hù)可以調(diào)整軟啟動(dòng)功能本身的行為。對(duì)此，啟動(dòng)前的額外延遲時(shí)間和輸出電壓的上升時(shí)間均可調(diào)整。
圖2. 圖形用戶(hù)界面簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用的助益
在電機(jī)控制應(yīng)用中，ADP1047/ADP1048有兩個(gè)特性尤其有用。一是通過(guò)精密功率監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)故障，二是即時(shí)調(diào)整PFC輸出電壓的能力。根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，可以調(diào)整電壓以提高效率而不影響性能。這些“智能電壓”設(shè)置可用于電機(jī)暫停或以超低功率運(yùn)行的情況。圖3顯示包含在電機(jī)控制架構(gòu)中的PFC原理圖。
圖3. 電機(jī)控制應(yīng)用
PFC易于使用
若使用合適的控制器IC和恰當(dāng)?shù)闹С周浖瑢?shí)現(xiàn)數(shù)字PFC解決方案并不一定需要經(jīng)歷艱難的學(xué)習(xí)曲線。對(duì)于電機(jī)控制等動(dòng)態(tài)應(yīng)用，這種實(shí)現(xiàn)方法極具價(jià)值。
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