專利名稱：一種智能嵌入式實現(xiàn)的功率因數(shù)校正器及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于功率因數(shù)校正(PFC)器電路拓撲及其控制方法，尤其涉及采用智能嵌入式實現(xiàn)的功率因數(shù)校正(PFC)器和控制方法。
背景技術：
現(xiàn)代電源的主要發(fā)展趨向之一是提高AC/DC變換器輸入端功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的諧波污染。目前研究和應用的功率因數(shù)校正(PFC)的控制方法比較多，如專利申請?zhí)枮?00920175503. 7的新型數(shù)控電源PFC電路，實現(xiàn)電路如圖I所示。其特征在于包括輸入電路和輸出電路，所述輸入電路和輸出電路之間設置有二相交互BOOST拓撲變換器，輸出電路通過反饋電路連接DSP處理器，所述DSP處理器通過門驅動電路接入二相交互BOOST拓撲變換器，所述DSP處理器包括PID運算模塊、ADC模塊和多個PWM模塊，所述反饋電路通過ADC模塊接入PID運算模塊，所述PID運算模塊通過多個PWM模塊接入門驅動電路。 雖然該電路可以保持輸入電流正弦，得到高的輸入功率因數(shù)，具有抑制各種高頻諧波電流，能有效地改善電壓波形畸變和電流尖峰的功能。但這種電路的最大缺點是電路結構復雜，元器件數(shù)量多，尤其在中小功率場合應用時，很不經(jīng)濟。因而研究ー種更簡捷的方法來實現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)功能已成為很現(xiàn)實的要求。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術問題為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出ー種智能嵌入式實現(xiàn)的功率因數(shù)校正器及其控制方法，解決了現(xiàn)有技術中電路結構復雜，元器件數(shù)量多，功能單一等不足，提高實用性能。技術方案ー種智能嵌入式實現(xiàn)的功率因數(shù)校正器，其特征在于包括PFC處理器、全波整流電路、過流保護電路、雙限壓控制電路、DC/DC轉換電路和信號接收器；交流市電輸入端順序聯(lián)接全波整流電路、過流保護電路和DC/DC轉換電路，然后輸出直流信號；雙限壓控制電路聯(lián)接于DC/DC轉換電路的輸出端，將輸出的直流信號比較后的結果作為反饋信號傳給PFC處理器，PFC處理器根據(jù)反饋信號來控制PWM波的輸出，并以此PWM波調(diào)整DC/DC轉換電路的直流信號；所述PFC處理器包括CPU處理模塊、并行I/O ロ、可編程串行ロ、程序存儲器、定時器/計數(shù)器、PWM發(fā)生器和占空比數(shù)據(jù)存儲単元；并行I/O ロ、可編程串行ロ、程序存儲器、定時器/計數(shù)器、PWM發(fā)生器和占空比數(shù)據(jù)存儲単元通過內(nèi)部總線與CPU處理模塊進行數(shù)據(jù)交流；并行I/O ロ接收輸入的雙限壓控制電路的直流信號比較的電壓采樣信號，并行I/O ロ輸出PWM脈沖；可編程串行ロ與在線編程端ロ進行信息交互。在PFC處理器的串ロ管腳COM上連接ー個接收用戶遙控信息的紅外接收器。所述PFC處理器、全波整流電路、過流保護電路、雙限壓控制電路、DC/DC轉換電路和信號接收器的電路結構為市電的火線L與整流橋BD的交流輸入端AC+連接；交流市電的零線N與整流電路AC-端連接；電感器L的一端接整流橋BD的直流輸入端DC+連接，另一端與功率開關管Q的漏極和ニ極管D的陽極相連；開關管Q的源極接過流保護電路的一端，開關管的柵極接PFC處理器的一個端ロ 1/0.0 ;過流保護電路的另一端接整流橋BD的直流輸出端DC-;電容器C 一端與ニ極管D陰極連接，另一端與過流保護電路的一端和整流橋BD的DC-端連接；電阻Ra與電阻Rb串聯(lián)之后，Ra —端與電容器C和ニ極管D的陰極連接，Rb 一端與電感器C另一端、過流保護電路的一端和整流橋BD的DC-端連接；負載電阻R—端與電阻Ra的一端、電容器的一端和ニ極管的陰極連接，R的另一端與電阻Rb的一端、電容器C的另一端、過流保護電路的一端和整流橋的DC-端連接；比較器0和比較器I的負極接在Ra和Rb之間，正極分別接參考基準電壓V1、V2，比較器0的輸出ロ接在單片機的端ロ I/O. 2管腳，比較器I的輸出ロ接在單片機的端ロ I/O. I管腳；串ロ管腳COM連接數(shù)據(jù)線接收外部信息。ー種利用所述智能嵌入式實現(xiàn)的功率因數(shù)校正器的控制方法，其特征在于步驟如下 步驟I :將市電進行整流后變成頻率為交流市電兩倍的直流信號；步驟2 :在ー個直流信號周期內(nèi)取N個等分的時刻點，再通過占空比計算公式
Dn = 1 -ダ sin($ ■ 得到電路中控制PWM脈沖輸出的占空比數(shù)據(jù)Dn，其中n=0，l，…，N-I ;K為電路的系統(tǒng)參數(shù)；步驟3 :將該組占空比數(shù)據(jù)Dn存入PFC處理器中，用定時器0將PWM信號的周期固定為Ts=T/N，用定時器I控制PWM信號的脈沖寬度Ton=TsXDn。進而，控制嵌入式芯片輸出周期Ts恒定，占空比為Dn的PWM信號；其中T為整流后輸入電壓周期；所述n=0，l，…，N-I ；同時，嵌入式芯片根據(jù)雙壓控制電路得到的輸出反饋信號調(diào)節(jié)輸出PWM信號的占空比，具體方法為(I)設定選定負載所需電壓的上下限為兩個基準電壓Vl和V2，其中V1>V2 ；(2)將采樣電壓值Vs與Vl和V2進行比較，當Vs大于Vl時，比較器0輸出高電平，處理器檢測到比較器0輸出的高電平后，減小輸出PWM信號的占空比使得Vs小于Vl ;當Vs小于V2吋，比較器I輸出高電平，處理器檢測到比較器I輸出的高電平后，増大P畫信號的占空比使得Vs大于V2為止；當Vl>Vs>V2時，處理器對PWM信號占空比不做調(diào)整；步驟4 :以PWM發(fā)生器輸出的脈沖信號控制開關管的導通與關斷，調(diào)整電路中輸入電流的波形，使其與輸入電壓的波形同頻同相，實現(xiàn)電路功率因數(shù)的校正。有益效果本發(fā)明提出的ー種智能嵌入式實現(xiàn)的功率因數(shù)校正器及其控制方法，以嵌入式芯片為核心的PFC處理器，此外還應用了市電、全波整流電路、過流保護電路、雙限壓控制電路、DC/DC轉換電路、電感器L、ニ極管D、電容器C和功率開關管Q。本發(fā)明除了具備傳統(tǒng)PFC電路的功能外還具備以下的優(yōu)點1)直接將占空比以數(shù)據(jù)的形式存儲在芯片中來輸出PWM控制波，省去了用傳統(tǒng)的反饋電路的方法，簡化了電路結構，減少了元器件的使用量，使得處理過程簡單、方便。2)處理器可根據(jù)實際需求對程序進行實時調(diào)節(jié)，不需要頻繁對硬件進行修改。3)實現(xiàn)電壓恒定輸出功能，滿足負載需求。4)實現(xiàn)遙控調(diào)壓功能，更加方便用戶使用。5)實現(xiàn)電路的軟啟動和軟關斷，保護電路元器件。6)實現(xiàn)過流保護，確保電路安全。


圖I :本發(fā)明電路的總體框圖；圖2 :本發(fā)明電路中PFC處理器內(nèi)部主要模塊的框圖；圖3 :本發(fā)明基于升壓型轉換器實現(xiàn)的實施實例電路原理圖；圖4 :為實施實例輸入電壓Vin、輸入電流Iin和輸出電壓Vout的仿真結果； 圖5 :為現(xiàn)有技術中新型數(shù)控電源PFC電路原理框圖。
具體實施例方式現(xiàn)結合實施例、附圖對本發(fā)明作進ー步描述參見圖3，依據(jù)本案構想并基于BOOST升壓型轉換器實現(xiàn)的實施實例主要包括交流市電輸入、全波整流橋BD、過流保護電路、雙限壓控制電路、電感器L、功率開關管Q、ニ極管D、電容器C、負載電阻R以及PFC處理器。市電的火線L與整流橋BD的交流輸入端AC+連接；市電的零線N與整流電路AC-端連接；電感器L的一端接整流橋BD的直流輸入端DC+連接，另一端與功率開關管Q的漏極和ニ極管D的陽極相連；開關管Q的源極接過流保護電路的一端，開關管的柵極接PFC處理器的一個端ロ 1/0.0 ;過流保護電路的另一端接整流橋BD的直流輸出端DC-；電容器C 一端與ニ極管D陰極連接，另一端與過流保護電路的一端和整流橋BD的DC-端連接；電阻Ra與電阻Rb串聯(lián)之后，Ra 一端與電容器C和ニ極管D的陰極連接，Rb 一端與電感器C另一端、過流保護電路的一端和整流橋BD的DC-端連接；負載電阻R —端與電阻Ra的一端、電容器的一端和ニ極管的陰極連接，R的另一端與電阻Rb的一端、電容器C的另一端、過流保護電路的一端和整流橋的DC-端連接；比較器0和比較器I的負極接在Ra和Rb之間，正極分別接參考基準電壓VI、V2，比較器0的輸出ロ接在單片機的端ロ I/O. 2管腳，比較器I的輸出ロ接在單片機的端ロ I/O. I管腳；串ロ管腳COM連接紅外接收器接收用戶遙控信息。所述的PFC處理器由常用單片機實現(xiàn)，主要結構包括程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、CPU、定時器/計數(shù)器、PWM發(fā)生器(可由定時器實現(xiàn))、I/O ロ、COM ロ。PFC處理器作為本發(fā)明的核心部分，其具體控制方法如下市電經(jīng)過整流后，變成頻率為交流市電兩倍的直流信號。在ー個直流信號周期內(nèi)
取N個等分的時刻點，再通過占空比計算公式=]-人' sin(— /り取得電路中控制PWM脈
沖輸出的占空比數(shù)據(jù)。其中n=0，l，…，N-l，K由電路的輸入電壓、電感、電容、負載以及輸出電壓等系統(tǒng)參數(shù)決定，N則是根據(jù)開關頻率和電網(wǎng)電壓頻率確定的所需占空比數(shù)據(jù)數(shù)目。將該組占空比數(shù)據(jù)Dn (其中n=0，I，-,N-1)存入PFC處理器中，通過編程輸出與這組占空比相對應的PWM脈沖控制信號。具體編程方法為用定時器0將PWM信號的周期固定為Ts=T/N，T為整流后輸入電壓周期。用定時器I控制PWM信號的脈沖寬度Ton=Ts X Dn。進而，控制嵌入式芯片輸出周期Ts恒定，占空比為Dn的PWM信號。PWM發(fā)生器輸出的脈沖信號控制開關管的導通與關斷，進而調(diào)整電路中輸入電流的波形，使其與輸入電壓的波形同頻同相，實現(xiàn)電路功率因數(shù)的校正。在本實施實例中，50Hz市電經(jīng)過整流后，變?yōu)榉逯惦妷簽?11V、頻率為IOOHz的直流信號。在ー個直流信號周期內(nèi)取N個等分的時刻點，其中開關頻率為10kHz，故計算N=10k/100=100o再由負載電阻值為R=320 Q、電感L=3mH以及電容C=470 u F得知K=O. 66，
加上占空比計算公式/ん=!-んdrKf")’n=^ ，…，N-I可取得每個直流信號周期內(nèi)控
制PWM脈沖信號的100個占空比數(shù)據(jù)Dn，從而求得PWM信號的脈沖寬度Ton=TsXDn。PWM信號的周期Ts=I/(2 f N) =IOOii S，其中f = 50Hz為市電頻率。PFC處理器包含有占空比數(shù)據(jù)存儲単元、PWM波輸出程序、限壓功能實現(xiàn)程序、調(diào)壓功能實現(xiàn)程序以及信號接收器等。處理器具有在線可編程能力，可根據(jù)實際需求對程序進行實時調(diào)節(jié)，不需要頻繁對硬件進行修改。此外，在程序中加入了實現(xiàn)電路軟啟動和軟關斷的代碼，即采用逐步將電路啟動時相應的控制PWM波輸出的占空比數(shù)據(jù)由小調(diào)大以及電路關斷時相應的控制PWM波輸出的占空比數(shù)據(jù)由大調(diào)小的方法來實現(xiàn)電路的軟啟動和軟關斷。雙限壓控制電路是在市電有效值及負載參數(shù)發(fā)生變化吋，為處理器提供一個占空比調(diào)節(jié)信號，控制處理器對預存的占空比數(shù)據(jù)做出相應的調(diào)整，使得負載工作所需的輸出電壓可以控制在一定范圍內(nèi)。具體控制過程為由于輸出電壓存在大于負載需求、滿足負載需求以及小于負載需求三種情況，故需要使用兩個比較器來判斷輸出的這三種不同情況。先選定負載所需電壓的上下限，即兩個基準電壓Vl和V2，其中V1>V2。然后用電壓采樣電路得到的采樣電壓值Vs分別與Vl和V2進行比較，判斷Vs與VI、V2的大小。當Vs大于Vl時，比較器0輸出高電平。處理器檢測到比較器0輸出的高電平后，根據(jù)程序存儲器中預存的限壓功能實現(xiàn)程序相應的減小輸出PWM信號的占空比，直到Vs小于Vl為止。同理，當Vs小于V2吋，比較器I輸出高電平。處理器接收到傳來的反饋信號，根據(jù)程序存儲器中預存的限壓功能實現(xiàn)程序相應的增大PWM信號的占空比，直到Vs大于V2為止。當Vl>Vs>V2時，處理器對PWM信號占空比不做調(diào)整。從而通過調(diào)節(jié)輸出PWM信號占空比的大小可滿足輸出電壓控制在負載所需范圍內(nèi)，實現(xiàn)限壓。此外，外部信號接收器時刻準備接收遙控器發(fā)來的用戶指令，接收器將收到的信號數(shù)據(jù)后返回給程序存儲器中預存的調(diào)壓功能實現(xiàn)程序，作為程序的調(diào)壓參數(shù)。調(diào)壓功能實現(xiàn)程序根據(jù)調(diào)壓參數(shù)重新設定基準電壓Vl和V2，雙限壓控制電路則根據(jù)新設定的基準電壓來調(diào)節(jié)輸出電壓，最終完成調(diào)壓。本例采用直接將包含有一組控制PWM波輸出的占空比數(shù)據(jù)存儲在處理器的占空比數(shù)據(jù)存儲単元中，并根據(jù)PWM波輸出程序利用這組數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應的PWM波的方法來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。其中占空比數(shù)據(jù)通過電路的輸入電壓、電感電流以及輸出電壓之間的關系分析計算取得。為防止電路在啟動和關斷時出現(xiàn)的沖擊電流對電路元器件造成損壞，在PWM波輸出程序中加入了實現(xiàn)電路軟啟動和軟關斷的代碼，即采用逐步將電路啟動時相應的控制PWM波輸出的占空比數(shù)據(jù)由小調(diào)大以及電路關斷時相應的控制PWM波輸出的占空比數(shù)據(jù)由大調(diào)小的方法來實現(xiàn)電路的軟啟動和軟關斷。通過過流保護電路實現(xiàn)過流保護功能。過流保護電路采用傳統(tǒng)的典型開關管保護電路實現(xiàn)，當輸出電流高于負載容限的情況下，自動關斷電流輸出，保護用電設備，確保電路安全可靠。雙限壓控制電路是在市電有效值及負載參數(shù)發(fā)生變化吋，為處理器提供一個占空比調(diào)節(jié)信號，控制處理器對預存的占空比數(shù)據(jù)做出相應的調(diào)整。具體控制過程為由于輸出電壓存在大于負載需求、滿足負載需求以及小于負載需求三種情況，故需要使用兩個比較器來判斷輸出的這三種不同情況。先選定負載所需電壓的上下限，即兩個基準電壓Vl和V2，其中V1>V2。然后用電壓采樣電路得到的采樣電壓值Vs分別與Vl和V2進行比較，判斷Vs與V1、V2的大小，將比較后的結果作為反饋信號傳給處理器，限壓功能實現(xiàn)程序根據(jù)反饋信號來控制PWM波輸出程序，再依據(jù)占空比和輸出電壓之間的關系調(diào)節(jié)占空比大小當Vs>Vl時將占空比調(diào)小，當Vs〈V2時將占空比調(diào)大，介于兩者之間時維持原狀。從而可滿足輸出電壓控制在負載所需范圍內(nèi)。調(diào)壓功能實現(xiàn)程序可控制負載電壓的大小，進而可實現(xiàn)對負載功率的調(diào)節(jié)。具體控制過稱為外部信號接收器收到用戶指令后，可以將接收到的數(shù)據(jù)返回給調(diào)壓功能實現(xiàn)程序，作為程序的調(diào)壓參數(shù)。調(diào)壓功能實現(xiàn)程序控制限壓功能實現(xiàn)程序重新設定基準電壓VI、V2 并相應調(diào)節(jié)占空比大小，完成調(diào)壓。調(diào)壓功能可實現(xiàn)當負載為LED燈時調(diào)節(jié)其發(fā)光亮度，當負載為電風扇時調(diào)節(jié)其扇葉轉速，當負載為電暖器時調(diào)節(jié)其熱度，等等，此處不再一一舉例。圖4所示的仿真結果表明本案完全達到了所述的發(fā)明效果。
權利要求
1.一種智能嵌入式實現(xiàn)的功率因數(shù)校正器，其特征在于包括PFC處理器、全波整流電路、過流保護電路、雙限壓控制電路、DC/DC轉換電路和信號接收器；交流市電輸入端順序聯(lián)接全波整流電路、過流保護電路和DC/DC轉換電路，然后輸出直流信號；雙限壓控制電路聯(lián)接于DC/DC轉換電路的輸出端，將輸出的直流信號比較后的結果作為反饋信號傳給PFC處理器，PFC處理器根據(jù)反饋信號來控制PWM波的輸出，并以此PWM波調(diào)整DC/DC轉換電路的直流信號；所述PFC處理器包括CPU處理模塊、并行I/O 口、可編程串行口、程序存儲器、定時器/計數(shù)器、PWM發(fā)生器和占空比數(shù)據(jù)存儲單元；并行I/O 口、可編程串行口、程序存儲器、定時器/計數(shù)器、PWM發(fā)生器和占空比數(shù)據(jù)存儲單元通過內(nèi)部總線與CPU處理模塊進行數(shù)據(jù)交流；并行I/O 口接收輸入的雙限壓控制電路的直流信號比較的電壓采樣信號，并行I/O 口輸出PWM脈沖；可編程串行口與在線編程端口進行信息交互。
2.根據(jù)權利要求I所述的智能嵌入式實現(xiàn)的功率因數(shù)校正器，其特征在于在PFC處理器的串口管腳COM上連接一個接收用戶遙控信息的紅外接收器。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的智能嵌入式實現(xiàn)的功率因數(shù)校正器，其特征在于所述PFC處理器、全波整流電路、過流保護電路、雙限壓控制電路、DC/DC轉換電路和信號接收器的電路結構為市電的火線L與整流橋BD的交流輸入端AC+連接；交流市電的零線N與整流電路AC-端連接；電感器L的一端接整流橋BD的直流輸入端DC+連接，另一端與功率開關管Q的漏極和二極管D的陽極相連；開關管Q的源極接過流保護電路的一端，開關管的柵極接PFC處理器的一個端口 I/O. 0 ;過流保護電路的另一端接整流橋BD的直流輸出端DC-；電容器C 一端與二極管D陰極連接，另一端與過流保護電路的一端和整流橋BD的DC-端連接；電阻Ra與電阻Rb串聯(lián)之后，Ra 一端與電容器C和二極管D的陰極連接，Rb 一端與電感器C另一端、過流保護電路的一端和整流橋BD的DC-端連接；負載電阻R —端與電阻Ra的一端、電容器的一端和二極管的陰極連接，R的另一端與電阻Rb的一端、電容器C的另一端、過流保護電路的一端和整流橋的DC-端連接；比較器0和比較器I的負極接在Ra和Rb之間，正極分別接參考基準電壓VI、V2，比較器0的輸出口接在單片機的端口 I/O. 2管腳，比較器I的輸出口接在單片機的端口 I/O. I管腳；串口管腳COM連接數(shù)據(jù)線接收外部信息。
4.一種利用權利要求廣3任一項所述智能嵌入式實現(xiàn)的功率因數(shù)校正器的控制方法，其特征在于步驟如下 步驟I :將市電進行整流后變成頻率為交流市電兩倍的直流信號； 步驟2:在一個直流信號周期內(nèi)取N個等分的時刻點，再通過占空比計算公式Dn 二 1 - I sin(# W得到電路中控制PWM脈沖輸出的占空比數(shù)據(jù)Dn，其中n=0，l，…，N-I ;K為電路的系統(tǒng)參數(shù)； 步驟3 :將該組占空比數(shù)據(jù)Dn存入PFC處理器中，用定時器0將PWM信號的周期固定為Ts=T/N，用定時器I控制PWM信號的脈沖寬度Ton=Ts XDn。進而，控制嵌入式芯片輸出周期Ts恒定，占空比為Dn的PWM信號；其中T為整流后輸入電壓周期；所述n=0，1，…，N-I ； 同時，嵌入式芯片根據(jù)雙壓控制電路得到的輸出反饋信號調(diào)節(jié)輸出PWM信號的占空t匕，具體方法為 (I)設定選定負載所需電壓的上下限為兩個基準電壓Vl和V2，其中V1>V2 ；(2)將采樣電壓值Vs與Vl和V2進行比較，當Vs大于Vl時，比較器O輸出高電平，處理器檢測到比較器O輸出的高電平后，減小輸出PWM信號的占空比使得Vs小于Vl ;當Vs小于V2時，比較器I輸出高電平，處理器檢測到比較器I輸出的高電平后，增大PWM信號的占空比使得Vs 大于V2為止；當Vl>Vs>V2時，處理器對PWM信號占空比不做調(diào)整； 步驟4 :以PWM發(fā)生器輸出的脈沖信號控制開關管的導通與關斷，調(diào)整電路中輸入電流的波形，使其與輸入電壓的波形同頻同相，實現(xiàn)電路功率因數(shù)的校正。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種智能嵌入式實現(xiàn)的功率因數(shù)校正器及其控制方法，以嵌入式芯片為核心的PFC處理器，全波整流電路、過流保護電路、雙限壓控制電路、DC/DC轉換電路、電感器L、二極管D、電容器C和功率開關管Q。本發(fā)明具備以下的優(yōu)點1)直接將占空比以數(shù)據(jù)的形式存儲在芯片中來輸出PWM控制波，省去了用傳統(tǒng)的反饋電路的方法，簡化了電路結構，減少了元器件的使用量，使得處理過程簡單、方便。2)處理器可根據(jù)實際需求對程序進行實時調(diào)節(jié)，不需要頻繁對硬件進行修改。3)實現(xiàn)電壓恒定輸出功能，滿足負載需求。4)實現(xiàn)遙控調(diào)壓功能，更加方便用戶使用。5)實現(xiàn)電路的軟啟動和軟關斷，保護電路元器件。6)實現(xiàn)過流保護，確保電路安全。
文檔編號H02M1/42GK102761240SQ20121026912
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權日2012年7月31日
發(fā)明者王林博, 石雷, 賀宏錕, 陽金金 申請人:西北工業(yè)大學