摘要：為DSP控制的功率因數(shù)校正（PFC）變換器提出了一種新穎的采樣算法，它能夠很好地消除PFC電路中高頻開關動作產(chǎn)生的振蕩對數(shù)字采樣的影響,。尤其是當開關頻率高于30kHz時，所提出的新穎采樣算法能夠更好地提高開關抗噪聲性能,。最后將此算法運用到一臺2kW的PFC變換器中,，實驗結(jié)果證明了該算法對于分析、設計和調(diào)試所有含開關的數(shù)字采樣電路均有實用參考價值,。

 

引言

數(shù)字信號處理器(DSP)已經(jīng)被廣泛應用于通信,，智能控制，運動控制等許多領域中,。由于具有處理速度快,、靈活、精確,、可靠等特點,，DSP已逐漸取代了傳統(tǒng)的模擬控制，例如開關電源中的DC/DC變換器,，PFC變換器,，以及高頻脈寬調(diào)制(PWM)逆變器等[1][2]。而在這些應用中,，為了消除高頻噪聲的影響,，也同時為了增加功率密度，通常要求開關頻率保持在20kHz以上,。如不考慮采樣保持時間和模/數(shù)轉(zhuǎn)換,，一般的DSP芯片都能夠在此頻率以上工作。但這些應用場合又必須對模擬電壓和電流進行采樣,，才能保證反饋控制的有效性,。本文在傳統(tǒng)PFC變換器控制電路的基礎上,，提出了一種采用DSP作為PFC的控制電路的方法，并詳細分析了在平均電流模式控制下傳統(tǒng)的單周期單采樣（SSOP）的方法,，最后提出了能夠大大改善開關抗噪聲性能的新穎采樣算法,。

 

 1 基于DSP的PFC控制策略原理

 

圖1所示為PFC變換器的系統(tǒng)框圖和DSP控制。為了獲得高功率因數(shù),，采用了升壓拓撲結(jié)構,。乘法器是圖中的關鍵部件，其輸入信號為電壓環(huán)路中電壓補償器EA1的輸出電壓信號和整流電壓>|Vin|信號,，其輸出作為控制開關管的基準,，與反映電感電流IL的信號進行比較，從而控制開關管的通斷時間,。因此,，變換器必須同時對輸入電流Iin，輸入電壓Vin和輸出電壓Vout采樣,。 為了實現(xiàn)PFC變換器的數(shù)字控制,，要求轉(zhuǎn)移函數(shù)為離散表達式。為方便起見,，這里首先采用拉普拉斯變換,。根據(jù)圖1（a），電壓補償器EA1的連續(xù)轉(zhuǎn)移函數(shù)可表示為

G1(s)=(Vref－Vp)/(Vv－sam－Vref)=K1＋K2/s （1）

式中：K1=Rvf/Rvi,；K2=1/RviCvf,。 考慮到第一級采樣和保持效果，將式（1）變成式（2）,，即

G1′(s)=[(1-e -TS)/s(Gs(s))]=[(1-e -TS)/s][K1+(K2/s)] （2）

式中：T為開關周期,。

從而得到轉(zhuǎn)移函數(shù)的離散表達式如式（3）所示。

ΔVo(k)=ΔVo(k－1)＋K1ΔVI(k)＋ (TK2－K1)ΔVI(k－1) （3）

式中：ΔVo(k)=Vref－Vp(k),； ΔVI(k)=Vv－sam(k)－Vref,； k為采樣序列數(shù)。 從式（3）中可以清楚地看出,，電壓環(huán)路中電壓補償器EA1的輸出電壓在當前的采樣周期是由它前一時刻的值和Vv－sam共同決定的,，其關系式如式（4）所示。

Vp(k)=Vp(k－1)－K1Vv－sam(k)－ (TK2－K1)Vv－sam(k－1)＋TK2Vref （4）

 

同樣,，電流環(huán)中的補償器EA2的轉(zhuǎn)移函數(shù)也可由圖1（a）得到 式中：K3=RczCcz,； K4=RciCcz。 因此,，轉(zhuǎn)移函數(shù)的離散表達式為

 

圖1(b)是PFC變換器的DSP控制階段,。該階段對3個主要電量：感應電流IL，整流輸入電壓|Vin|和輸出電壓Vout進行采樣,。這些值經(jīng)過采樣后再被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,，參與DSP隨后的計算過程,。與開關頻率比較而言，這3個信號中的兩個電壓信號就成了主要的低頻信號了,。這里要求感應電流最好能被瞬時地反饋,，這一點在模擬控制器中是很容易實現(xiàn)的，而在數(shù)字信號處理中由于采樣速率的限制和A/D轉(zhuǎn)換使得很難滿足這一要求,。在實際的采樣算法中,，采樣信號用來計算以后周期的脈沖寬度。

 

2 單周期單采樣方法的缺陷

對于一個數(shù)控的PFC來說,，單周期單采樣（SSOP）使控制器相對模擬PFC而言對噪聲更加敏感,。由于開關噪聲與電流傳感器有關并受其影響，在開關點上經(jīng)常會出現(xiàn)高頻振蕩,，而且振蕩將持續(xù)在一個相當長的周期內(nèi)（如圖2所示）,，這些噪聲將影響系統(tǒng)的正常工作。最好的解決方法就是通過調(diào)整采樣點避開此采樣區(qū)間,，即不固定點采樣算法,。另一方面，可采用DSP芯片來限制采樣速率和A/D轉(zhuǎn)換,。 基于上述分析,，SSOP采樣方法看似完美，但采用這種采樣算法后又會帶來新的問題,，即如何在每一次開關循環(huán)中都確定一個固定的采樣點，上面所提到的條件又如何在任何時間都能得到滿足,。在采用了SSOP方法的PFC應用中,，輸入電流必須跟隨正弦輸入電壓，且輸出電壓必須始終為常數(shù),。占空比D從接近于1減小到最小值Dmin,，而正弦交流電壓相應地從零變化到峰值。如果Dmin太小的話,，就不能滿足SSOP算法的要求,。最小占空比由式(7)給出。

通常,，對于一個通用輸入電壓的PFC變換器來說,，一般將其輸出電壓設計在385V左右。輸入電壓若為110V,，Dmin可以滿足要求,，但若為220V，Dmin就只能達到0.12～0.22,，假定主電壓的變化范圍為10％,，則Dmin將變得更低,。由于D在每一個周期內(nèi)從Dmin變化到1，因此,，如果采樣過程能夠在開關導通時間內(nèi)結(jié)束的話,，就可能避開開關噪聲的干擾。所以,，功率轉(zhuǎn)換開關S的導通時間便成了提高DSP控制PFC變換器開關頻率的主要限制因素,。 3 采樣算法原理 由于DSP本身具有很強的運算能力，所以,，它能夠通過一種新穎的采樣算法來消除SSOP算法的缺陷,。假定電路工作在固定頻率fs（=1/T）下，開關噪聲振蕩保持周期為τosc,，采樣周期為τsam,。為保證開關的抗噪聲性能，必須滿足以下要求： 1）在開關轉(zhuǎn)換后的τosc間隔時間內(nèi)不能進行采樣,；

2）在采樣的τsam間隔時間內(nèi)不能進行開關轉(zhuǎn)換,，因為任何擾動都有可能引起采樣結(jié)果發(fā)生錯誤。 針對以上兩個條件,，對采樣時刻D1T和D2T定義如下：

D1T=τosc （8）

D2T=2τosc＋τsam （9） 由式（8）及式（9）可知,，一旦確定τosc和τsam后，D1T和D2T的值也就確定了,。此時,，就可以在控制器中應用Z域的穩(wěn)定性分析。 經(jīng)計算可得最大開關頻率為 fs=1/(D2T+τsam) （10）

本周期時間脈沖寬度DT是利用上一周期所獲得采樣值經(jīng)計算得到的,，再根據(jù)DT是否大于τosc＋τsam來確定采樣時間是否合適,。如果DT>τosc＋τsam，如圖3（a）所示,，D1T便是合適的采樣點,；如果DT<τosc＋τsam，則iL(D2T)被采樣,，但不能直接用iL(D2T)來計算脈寬,，因為，在iL（D1T）和iL（D2T）之間存在著一定的誤差(此誤差可通過電流補償環(huán)路中的積分算法來消除),。因此,，必須先從iL(D2T)中求出iL(D1T)的值。這又需要考慮兩種情況,，分別如圖3（b）和（c）所示,。

1）DT 在此條件下，采樣點D1T和D2T分別位于開關S的導通時間和截止時間，如圖3（c）所示,，此時可得到式（12）及式（13）,。

iL(DT)－iL(D1T)=|Vin|/L(D－D1)T （12）

iL(DT)－iL(D2T)=[Vin]/L(D2－D)T （13）

由式（12）及式（13）又可以得到

ΔiL2=iL(D1T)－iL(D2T) =Vout/L(D2-D)T-|Vin|/L(D2－D1)T （14）

圖4給出了上述轉(zhuǎn)換過程的流程。

通過該流程得到的值與通過SSOP方法所得到的值相等,，并且它的采樣數(shù)據(jù)不再受開關噪聲的影響,。 4 實驗結(jié)果 將此算法運用到一臺2kW的PFC變換器中，為了提高效率并減少噪聲,，選擇開關頻率為33kHz,，采用DSPTMS320F240作為控制芯片，其最大采樣保持時間τsam約為1μs,。開關轉(zhuǎn)換后的每一個振蕩周期τosc約為6μs,。再根據(jù)式（8）及式（9），采樣點D1T和D2T分別選在6μs和13μs處,，輸入和輸出電壓分別為交流220～240V和直流400V,。 圖5所示為在3種不同采樣模式下的感應電流波形。圖6為輸入電壓和輸入電流波形圖,。經(jīng)測量,，輸入電流的總諧波失真為6.4％，功率因數(shù)為0.98,。

5 結(jié)語

本文提出了一種DSP控制的PFC的新穎的采樣算法,，它節(jié)省了大量的系統(tǒng)資源，這些節(jié)省的系統(tǒng)資源又可以用來控制DC/DC或DC/AC變換器,。該方案使整個系統(tǒng)僅用一片DSP芯片來控制,，從而大大降低了硬件的成本。本文的方法和結(jié)論對于分析,、設計和調(diào)試所有含開關的數(shù)字采樣電路均有實用參考價值,。