使用TMS320LF2407A平均电流模式控制功率因素校正转换器

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1、应 用 报 告ZHCA025 2005 年 7 月使 用 TMS320LF2407A 平 均 电 流 模 式 控 制 功 率 因 素 校 正 转 换 器Shamim Choudhury . 数 字 电 源 C2000 DSP 和 系 统 电 源 管 理摘 要低 成 本 、 高 性 能 DSP 控 制 器 具 备 集 成 外 设 ， 例 如 模 数 (A/D) 转 换 器 和 脉 冲 宽 度 调 制 器 (PWM) ， 为 电 源 设 计 人员 提 供 了 一 种 能 够 实 现 电 源 转 换 功 能 控 制 的 新 工 具 。 但 是 ， 当 电 源 设 计 人 员 开 始 采 取 这 种

2、新 技 术 ， 并 从 现 有的 模 拟 空 间 转 换 到 新 的 数 字 环 境 中 时 ， 即 使 他 们 具 有 丰 富 的 模 拟 控 制 经 验 ， 也 仍 然 会 面 临 新 的 挑 战 。此 应 用 报 告 指 出 了 两 种 方 法 之 间 的 某 些 基 本 差 异 ， 并 显 示 了 如 何 逐 步 实 现 DSP 控 制 平 均 电 流 模 式 功 率 因 素 校正 (PFC) 转 换 器 。 在 数 字 实 现 前 重 新 定 义 模 拟 控 制 空 间 中 不 同 的 控 制 环 路 参 数 。 分 析 控 制 环 路 ， 并 导 出 所需 电 压 和 电 流 环

3、路 补 偿 器 。 最 后 ， 此 应 用 报 告 会 介 绍 这 些 补 偿 器 的 离 散 化 和 在 软 件 中 的 实 现 。内 容1 介 绍 . 22 TMS320LF2407A 的 PFC 级 硬 件 接 口 . 33 PFC 级 数 字 控 制 器 设 计 . 44 PFC 级 数 字 控 制 器 设 计 示 例 . 105 试 验 结 果 . 136 参 考 . 14附 图 目 录1 TMS320LF2407A 控 制 功 率 因 素 校 正 (PFC) 级 . 32 DSP 控 制 PFC 级 控 制 环 路 结 构 图 . 43 频 率 和 平 均 分 量 计 算 . 64

4、 电 流 环 路 补 偿 波 特 图 . 95 输 入 电 流 和 电 压 波 形 (224Vrms) . 136 输 入 电 流 和 电 压 波 形 (100Vrms) . 14ZHCA025 2005 年 7 月 使 用 TMS320LF2407A 平 均 电 流 模 式 控 制 功 率 因 素 校 正 转 换 器 1 介 绍介 绍专 为 闭 环 控 制 实 现 而 设 计 的 数 字 信 号 处 理 器 (DSP) 已 广 泛 应 用 于 电 机 控 制 、 不 间 断 电 源 (UPS) 和 运 动 控 制 应用 领 域 中 。借 助 于 低 成 本 、 高 性 能 DSP 控 制 器

5、 及 其 高 CPU 带 宽 和 集 成 电 力 电 子 外 设 ， 例 如 模 数 (A/D) 转 换 器 、 具 有 内 置死 区 时 间 的 脉 冲 宽 度 调 制 器 (PWM) 和 异 步 功 率 级 保 护 ， 电 源 设 计 人 员 已 经 将 此 技 术 视 为 实 时 功 率 转 换 和 控 制应 用 的 理 想 选 择 。与 传 统 模 拟 控 制 相 比 ， DSP 控 制 器 有 着 诸 多 明 显 优 势 ： 适 用 于 多 种 平 台 的 标 准 控 制 硬 件 设 计 受 到 老 化 和 环 境 变 换 的 影 响 更 少 更 佳 的 噪 声 抗 扰 度 易 于

6、实 现 复 杂 的 控 制 算 法 设 计 灵 活 多 变 ， 能 够 满 足 特 定 的 客 户 需 求 用 于 控 制 和 通 信 功 能 的 单 芯 片 解 决 方 案电 源 应 用 领 域 中 DSP 的 使 用 给 许 多 努 力 将 设 计 从 当 前 的 模 拟 空 间 更 改 到 新 的 数 字 环 境 中 的 模 拟 设 计 人 员 带 来了 新 的 挑 战 。对 于 DSP 控 制 电 源 ， 设 计 中 的 许 多 相 关 因 素 以 及 数 字 控 制 环 路 的 实 现 都 是 需 要 解 决 的 问 题 。 在 模 拟 设 计 人 员将 控 制 设 计 从 模 拟

7、硬 件 更 改 为 对 应 产 品 数 字 软 件 时 , 模 拟 控 制 块 和 数 字 域 中 相 关 参 数 的 重 新 定 义 非 常 重 要 。本 应 用 报 告 讨 论 了 基 于 DSP 、 带 输 入 电 压 前 馈 的 功 率 因 素 校 正 级 平 均 电 流 模 式 控 制 的 不 同 实 现 情 况 。 在 数 字实 现 前 重 新 定 义 模 拟 域 中 不 同 的 控 制 环 路 参 数 。 同 时 详 细 讨 论 了 对 模 拟 前 馈 电 路 的 修 改 和 它 在 软 件 中 的 实现 。 对 于 基 于 16 位 的 定 点 DSP (TMS320LF240

8、7A) 的 实 现 ， 则 会 对 实 现 通 用 输 入 工 作 范 围 (85Vac-265Vac,47Hz-63Hz) 所 需 的 缩 放 比 例 和 标 准 化 进 行 解 释 。 环 路 会 在 s 域 中 分 析 ， 并 且 会 导 出 所 需 电 压 和 电 流 环 路 补偿 器 。 同 时 也 会 介 绍 这 些 补 偿 器 的 离 散 化 和 在 软 件 中 的 实 现 。还 会 解 释 示 例 设 计 以 说 明 PFC 转 换 器 的 DSP 实 现 。 最 后 ， 将 演 示 实 验 室 原 型 中 的 测 试 结 果 以 验 证 数 字 实 现的 性 能 。2 使 用

9、 TMS320LF2407A 平 均 电 流 模 式 控 制 功 率 因 素 校 正 转 换 器 ZHCA025 2005 年 7 月2 TMS320LF2407A 的 PFC 级 硬 件 接 口VacGvea+ + PWM1ADCIN1ADCIN0TMS320x2407AVoVerrIinGcaRLVoQDADCIN2CalcVdcSignalConditioningCalc1/Vdc2RsIrefEMIFILTERGATEDRIVELIinVinBCACVCCVrefTMS320LF2407A 的 PFC 级 硬 件 接 口图 1. TMS320LF2407A 控 制 功 率 因 素 校

10、正 (PFC) 级图 1 显 示 了 一 个 连 接 至 TMS320LF2407A DSP 的 功 率 因 素 校 正 (PFC) 级 。 这 是 一 个 Ac-Dc 升 压 转 换 器 级 ， 它可 以 将 交 流 输 入 电 压 转 换 至 高 压 直 流 总 线 ， 并 保 持 正 弦 输 入 电 流 处 于 高 输 入 功 率 因 素 。 如 图 1 所 示 ， 控 制 算法 的 执 行 需 要 三 个 信 号 。 这 三 个 信 号 是 ， 整 流 输 入 电 压 Vin 、 电 感 器 电 流 Iin 以 及 直 流 总 线 电 容 器 电 压Vo 。 转 换 器 由 两 个 反

11、 馈 环 路 控 制 。 平 均 输 出 直 流 电 压 由 一 个 缓 慢 响 应 的 外 部 环 路 进 行 调 节 ； 而 调 整 输入 电 流 的 内 部 环 路 则 是 更 快 的 环 路 。ZHCA025 2005 年 7 月 使 用 TMS320LF2407A 平 均 电 流 模 式 控 制 功 率 因 素 校 正 转 换 器 3 PFC 级 数 字 控 制 器 设 计dUnv+Ks.IinKfKavgKsIinVin C RLVoKdLIrefAKmABCBPWM MODUcaGcaGveaVrefCTMS320LF2407A3.1 电 压 和 电 流 感 应 增 益Vin V

12、m sin 2 t, 0 Vm Vmax, and, Iin Im sin 2 t, 0 Im ImaxPFC 级 数 字 控 制 器 设 计瞬 时 信 号 Vin 、 Vo 和 Iin 均 可 由 各 自 的 电 压 和 电 流 感 应 电 路 感 应 并 调 整 。 随 后 ， 感 应 信 号 通 过 三 个 ADC 通道 ADCIN0 、 ADCIN1 和 ADCIN2 各 自 反 馈 至 DSP 。 ADC 感 应 并 转 换 这 些 信 号 的 速 率 称 为 控 制 环 路 采 样 频 率 fs 。数 字 化 感 应 总 线 电 压 Vo 会 与 所 需 参 考 总 线 电 压 V

13、ref 比 较 。 然 后 将 差 动 信 号 (Vref - Vo) 接 入 电 压 环 路 控 制器 Gvea 。 显 示 为 B 的 控 制 器 Gvea 的 数 字 输 出 会 乘 以 其 它 两 个 分 量 （ A 和 C ） 来 为 内 部 电 流 环路 生 成 参 考 电 流 命 令 。 在 图 1 中 ， 分 量 A 代 表 数 字 化 瞬 时 感 应 信 号 Vin 。 计 算 分 量 C 其 中 Vdc 是 计 算 出 的 感 应 数 字 信 号 Vin 的平 均 分 量 。 在 图 1 中 ， Iref 是 内 部 电 流 环 路 的 参 考 电 流 命 令 。 IIre

14、f 具 有 可 整 流 正 弦 波 的 波 形 ， 并 且 其 振 幅 也 与 正 弦 波 相 同 ， 因 此 它 可 以 保 持 输 出 直 流 电 压 处 于 参 考 电 平 Vref ， 以 抵 御 负 载 的 变 化 和 线 路 电 压 的 波动 。 感 应 数 字 电 感 器 电 流 Iin 将 与 参 考 电 流 Iref 进 行 比 较 。 两 者 的 差 值 电 流 将 传 递 至 电 流 控 制 器 Gca 中 。此 控 制 器 的 输 出 最 后 将 用 于 为 PFC 开 关 生 成 PWM 占 空 比 命 令 。图 2. DSP 控 制 PFC 级 控 制 环 路 结 构 图