中心議題：

• 高功率因數(shù)電源設計方案
• 系統(tǒng)整體方案設計
• 系統(tǒng)硬件電路設計
• 系統(tǒng)軟件設計

1 引言

隨著電子電力技術的發(fā)展，要求電子元器件的供電電源越來越苛刻。一般元器件供電都是直接從市電中獲得，但由于電網的輸入阻抗呈容性，而大量整流電路造成電網網側輸入電壓與輸入電流間存在較大相位差，輸入電流呈脈沖狀，諧波分量很高，嚴重干擾電力系統(tǒng)。據(jù)了解現(xiàn)階段一般電網網側功率因數(shù)約為0．65，因此，高效率利用能源，提高電源功率因數(shù)已刻不容緩。

現(xiàn)階段功率因數(shù)校正PFC（Power Factor Correction）分為主動式與被動式兩種。被動式PFC結構簡單，主要是利用電感線圈內部電流不能突變的原理調節(jié)電路中的電壓與電流相位差，從而改變功率因數(shù)，但其結構笨重，易產生低頻噪聲且最大功率因數(shù)只能在70％。主動式PFC一般為有源功率因數(shù)調整，可簡單歸納為升壓型開關電源電路，具有體積小，輸入電壓寬以及功率因數(shù)高等優(yōu)點，功率因數(shù)可接近100％。

2 高功率因數(shù)電源設計方案

2．1 功率因數(shù)監(jiān)測

該設計采用相位差測量法，即分別對變壓器副邊檢測的電壓、電流信號先經比較器整形，然后通過計算得到電壓電流的相位差，再進行余弦運算，即可得到系統(tǒng)的功率因數(shù)。負載端輸出電壓、電流經采樣得到系統(tǒng)視在功率。根據(jù)P=S×cosQ=S2-P2（Q表示無功功率）計算電源的有功功率、無功功率等參數(shù)。該方法易于操作，而且通過等精度法測相，可達到很高精度，從而能很好滿足系統(tǒng)要求。

2．2 功率因數(shù)校正

該系統(tǒng)采用有源功率因數(shù)校正，可改善電源輸入功率因數(shù)，減小輸入電流諧波。其主要實現(xiàn)方式有2 種：（1）兩級PFC技術，即在整流濾波和DC／DC功率級之間加入有源PFC電路為前置級，用于提高功率因數(shù)和實現(xiàn)DC／DC級輸入的預穩(wěn)，該技術一般用于較大功率輸出場合；（2）單級PFC技術，即將PFC級與DC／DC級中的元件共用，實現(xiàn)統(tǒng)一控制，通常共用器件為MOSFET。該方式設計與優(yōu)化尤為重要，適用于小功率應用。

有源功率因數(shù)校正的控制方式又可根據(jù)電感電流是否連續(xù)分為平均電流型控制、CCM／DCM邊界控制和電流箝位控制模式。其中CCM／DCM邊界控制 Boost PFC是一種滯后控制技術，其上限為正弦基準電流，由輸出檢測信號經誤差放大后與輸入全波電壓檢測信號相乘得到，下限為零。具體工作過程為：檢測電感電流并與正弦電流基準信號相比較，當電感電流達到該基準時，關斷開關：當電感電流為零則再次導通，使電感電流為臨界電流工作狀態(tài)。即CCM／DCM邊界，可消除二極管的反向恢復損耗，大大減小主開關的非零電壓導通損耗。該技術優(yōu)點是控制簡單，使用專用器件的外圍元件數(shù)量少。運用Boost電路的PFC，在 CCM模式下輸入電流畸變小且易于濾波，開關管的電流應力也小，可以處理較大的功率并保持較高的效率。

這里選用CCM模式PFC控制器UCC28019實現(xiàn)最終的功率因數(shù)校正。該器件采用軟啟動機制，動態(tài)響應良好，結合外圍電路可實現(xiàn)輸入欠壓保護，開環(huán)保護，輸出過壓保護，軟過流控制（SOC）和峰值電流限制等功能。系統(tǒng)輸出電壓由該器件VSENSE引腳所接分壓電阻與其內部+5 V的基準決定。由公式可得，通過調節(jié)分壓電阻的比率實現(xiàn)輸出電壓的數(shù)字可調。

3 系統(tǒng)整體方案設計

該系統(tǒng)采用MSP430F449為控制和運算核心，通過等精度測相法測量出系統(tǒng)的功率因數(shù)。功率因數(shù)校正則以UCC28019為核心，利用硬件電路形成閉環(huán)反饋電路，實時監(jiān)測輸出電壓、電流。單片機提供過流保護來控制繼電器以及采樣和顯示電壓電流。利用鍵盤選擇各種功能。LCD實時顯示各操作數(shù)據(jù)，人機界面友好。圖1為系統(tǒng)整體框圖。

                             
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4 系統(tǒng)硬件電路設計

4．1 功率因數(shù)測量電路

變壓器副邊處通過電流互感器和電壓互感器取樣交流信號，然后經雙路比較器LM393整形后利用等精度法測量相位差，得到系統(tǒng)功率因數(shù)。 LM393的整形電路如圖2所示。

                                
4．2 輸出電流與電壓采樣電路

在電路負載輸出端加一精密大功率電阻，利用I／V轉換即可得到輸出電流。輸出電壓的測量則通過分壓其轉換為MSP430內部A／D轉換器可識別的電壓，再進行采樣。

4．3 功率因數(shù)校正電路

功率因數(shù)校正電路以UCC28019為核心，通過一系列外圍元件取值使功率因數(shù)校正到98％以上。圖3為采用UCC28019設計的功率因數(shù)校正電路。

                              
4．4 過流保護電路

通過單片機實時采樣輸出電流。當電流過大時單片機控制繼電器模塊使其斷開，系統(tǒng)斷電；當故障排除后測得電流值小于預定值時單片機再次發(fā)指令使繼電器閉合，電路重新正常工作。

5 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件控制功率因數(shù)測量部分測相電路的工作，以及實時采樣輸出電壓、電流。當檢測到輸出電流大于2．5 A時，控制繼電器關斷和電路復位，LCD實時顯示電源當前參數(shù)，通過鍵值的設定實現(xiàn)輸出電壓的步進可調。系統(tǒng)軟件設計流程如圖4所示。

                                                  
6 結束語

通過測量最終功率因數(shù)可得，該系統(tǒng)以UCC28019為PFC核心可使功率因數(shù)高達98％，具有過流保護與自我恢復功能，且硬件電路實現(xiàn)簡單，具有一定實用性。