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(shè)計極其靈活且功能豐富的PFC電路的簡單方法。設(shè)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(yīng)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(dān)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(shù)語“多相”。在PFC中，此功能不使用術(shù)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(shù)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(guān)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(dāng)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(shè)計需要許多元件，可能會變得相當(dāng)復(fù)雜。ADP1047設(shè)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(dāng)今的數(shù)字式衍生產(chǎn)品，例如ADI公司的ADP1047和ADP1048，設(shè)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(shè)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(guān)/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(guān)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(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，如標志等。電壓和電流信息以及寄存器設(shè)置可以通過集成的PMBus接口訪問。

圖形用戶界面使設(shè)計無需編程技能

富有經(jīng)驗的電源設(shè)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(shè)置和監(jiān)控屏幕上。這樣，評估和編程設(shè)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(shè)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(yù)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(shè)計

對電機控制應(yīng)用的助益

在電機控制應(yīng)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(shè)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(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瑢崿F(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。對于電機控制等動態(tài)應(yīng)用，這種實現(xiàn)方法極具價值。