【導讀】許多超過某一功耗水平的交流供電系統(tǒng)都需要進行功率因數(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PFC情況下,負載產(chǎn)生的THD(總諧波失真)會對由同一電網(wǎng)供電的其他電路造成不利影響。PFC電路會優(yōu)化功率因數(shù),同時降低THD。許多系統(tǒng)中,功率因數(shù)的重要性不及高THD帶來的干擾。
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控制器設計極其靈活且功能豐富的PFC電路的簡單方法。設計工作利用直觀的圖形用戶界面完成。另外還會結(jié)合電機驅(qū)動應用討論這種方法的優(yōu)勢。
不同PFC電路
PFC電路通常采用升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu),并且位于交流整流器電橋正后方。這種拓撲結(jié)構(gòu)迫使輸入電流與輸入電壓同相。結(jié)果,負載在交流電源看來是一個純無源負載電阻。對于較高的功率水平,可以使用交錯式拓撲結(jié)構(gòu)。最常見的是雙通道交錯操作,這與讓兩個升壓轉(zhuǎn)換器并聯(lián)并分擔負載并無不同。在PFC之外,類似方法稱為“多相”。對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)器會使用術語“多相”。在PFC中,此功能不使用術語“相位”,原因是它會引起很多混淆。多相用于一個以上相位交流電源輸入的PFC電路。因此,描述負載功率在多個并聯(lián)升壓拓撲結(jié)構(gòu)之間分配時,術語“交錯”更常用。
為了實現(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操作中,兩個通道在每個開關周期之后交替工作。但是,在無電橋拓撲結(jié)構(gòu)中,一個通道在交流輸入電壓的正半波周期中切換,另一個通道在負半波周期中切換。圖1給出了這三個基本電路的原理圖。最上方顯示最簡單的實現(xiàn)方案,中間顯示交錯概念,最下方顯示無電橋配置。當然,還有很多其他電路方案都是可行的。例如,對于高功率和高效率操作,可以將交錯式操作與無電橋配置結(jié)合起來。顯然,這種設計需要許多元件,可能會變得相當復雜。ADP1047設計用于單通道PFC,ADP1048則提供交錯式和無電橋操作能力。為此,它提供均流功能和兩個不同的PWM輸出信號。
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,利用當今的數(shù)字式衍生產(chǎn)品,例如ADI公司的ADP1047和ADP1048,設計人員可以獲得數(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,但實際上有多個不同的環(huán)路可以獨立編程。其中存在低線和高線電流濾波器,以及快速電壓補償濾波器。
可以設置PFC的輸出電壓,使其根據(jù)負載電流而變化。這樣可以提高整個系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換效率。此外,還可以非常細致地調(diào)整軟啟動特性。
監(jiān)控系統(tǒng)輸入端的電壓和電流很有價值
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。它們能檢測輸入和輸出電壓,以及輸入電流。檢測到的模擬值通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。電感電流(等于輸入電流)既可利用電流檢測電阻直接測量(精度最高),也可利用兩個電流互感器和功率開關/升壓二極管串聯(lián)間接測量。無論使用何種檢測方法,都可以在系統(tǒng)中校準檢測以提高測量精度。這種校準通常是與生產(chǎn)測試一起完成,校準值存儲在ADP1047和ADP1048的EEPROM中。除電壓和電流外,還可以校準外部溫度傳感器。
測得的電壓和電流相關信息用于操作、控制和保護,但也可通過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,因為它能提供關于系統(tǒng)潛在故障的信息。為了幫助系統(tǒng)安全可靠地工作,可以設置不同的中斷,如標志等。電壓和電流信息以及寄存器設置可以通過集成的PMBus接口訪問。
圖形用戶界面使設計無需編程技能
富有經(jīng)驗的電源設計工程師通常不擅長編寫代碼,因此,該PFC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置和監(jiān)控屏幕上。這樣,評估和編程設置ADP1047和ADP1048更為安全,因為與一般微控制器或數(shù)字信號處理器編程相比,這些芯片的內(nèi)部狀態(tài)機減少了用戶犯錯的空間。
展示GUI能力的一個例子是調(diào)整軟啟動特性。單擊鼠標便可調(diào)整啟動的輸入電壓閾值。隨后設置浪涌電流時間延遲。浪涌控制用于在電路啟動之前,對PFC電路的輸出電容進行預充電。這常常是通過繼電器或MOSFET實現(xiàn)。圖2所示屏幕截圖的中間顯示,調(diào)整此浪涌時序是何等簡便。圖2下方顯示,用戶可以調(diào)整軟啟動功能本身的行為。對此,啟動前的額外延遲時間和輸出電壓的上升時間均可調(diào)整。
圖2. 圖形用戶界面簡化設計
對電機控制應用的助益
在電機控制應用中,ADP1047/ADP1048有兩個特性尤其有用。一是通過精密功率監(jiān)控檢測系統(tǒng)故障,二是即時調(diào)整PFC輸出電壓的能力。根據(jù)電機驅(qū)動狀態(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”設置可用于電機暫停或以超低功率運行的情況。圖3顯示包含在電機控制架構(gòu)中的PFC原理圖。
圖3. 電機控制應用
PFC易于使用
若使用合適的控制器IC和恰當?shù)闹С周浖?,實現(xiàn)數(shù)字PFC解決方案并不一定需要經(jīng)歷艱難的學習曲線。對于電機控制等動態(tài)應用,這種實現(xiàn)方法極具價值。
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