[发明专利]数字功率因数校正控制器和包括其的AC到DC电源

说明书

技术领域

本发明一般涉及功率电子设备，并更特别地涉及功率因数校正(PFC)控制电路。

背景技术

通过AC到DC电源从AC线路供应获得的平均功率总是小于RMS(均方根)电压和RMS电流的乘积。平均功率与RMS电压和RMS电流的乘积的比率被称为功率因数。例如，变换器具有70％的功率因数意味着从线路供应得到的功率是该线路中的电压和电流的乘积的70％，并且因此，仅仅是利用单位功率因数可以获得的功率的70％。

为了增加电源的功率因数，并且因此增加电源的效率，采用功率因数校正(PFC)是已知的。一种已知的实现PFC的方法是迫使平均输入电流遵循适当按比例改变后的瞬时输入电压波形。图1是具有整流器电桥12、升压变换器14和模拟PFC控制器16的常规PFC AC到DC电源10的示图。模拟PFC控制器16利用模拟电路来将变换器10的输出电压(Vout)与电压基准8进行比较以产生电压补偿信号B(Vcomp)。将电压补偿信号乘以输入电压(Vin)并除以输入电压的RMS的平方。将该操作的结果与输入电流(Iin)进行比较以确定升压变换器14的主电源开关18的占空比。

尽管使用微控制器来在PFC变换器中实现一些控制和监视功能是已知的，但是逐脉冲开关控制通常是采用专门的模拟pwm控制器来实现的。然而，该方法限制了可行的控制和监视功能的范围和性能。然而，随着数字技术的发展，使用数字装置来实现全部控制和监视功能的动机越来越强。然而，这种控制所需的速度和分辨率，直到最近，都使得实现低中档功率变换器惊人地昂贵。

由此，数字信号处理器(DSP)非常适合于执行PFC变换器的所有控制功能的任务。DSP可通过执行计算主电源开关的最优接通持续时间(on-time duration)的固件算法来实现逐脉冲开关控制。同时，同一DSP可通过调度分配给各种任务的处理器时隙或通过中断例程来执行PFC变换器所需的所有其它控制和监视功能。

尽管DSP一般足以满足PFC变换器，但它们对于这样的应用而言不是最优的，并且在实践中产生了相对麻烦和昂贵的解决方法。这是因为高质量数字PFC通常需要三个高分辨率的模拟到数字转换通道，其中的至少一个需要是高速度的转换通道。此外，计算主电源开关的适当的定时通常需要为了功率级的动态行为和稳定性而被最优化的两个相对复杂的数字滤波器的固件执行，一个用于平均电流回路，另一个用于电压回路。另外，几个时间苛刻的保护功能，诸如过电流和过电压，必须同时包括在内。为了使变换器能够适当地工作，所有这些功能必须实时地执行。竞争信号DSP的计算资源的多个时间苛刻的控制功能的存在，通过引入复杂的调度和多级中断例程而使固件变复杂。这继而增加了损害变换器的操作的不希望有的行为的风险。为了克服这些挑战，必须使用相对强大的DSP和复杂的例程。这使得可接受的DSP实现方案对于低中档功率变换器而言惊人地昂贵。

在其它类型的开关模式变换器(诸如DC/DC负载点(POL)变换器)中，相似的挑战是已知的。为DC/DC POL变换器提出的减小主处理器的计算负担的方法之一是引入用于实现主控制回路的专门的硬件滤波器。该滤波器的系数可由主处理器编程以适应变换器的动态需求。然而，这需要仅被执行一次或者可能仅在特别情形(异常操作、系统配置改变、参数偏移等)下才被修改。

为了进一步减少数字pwm控制器所需的硬件资源，已经提出了所谓的“窗口a/d转换”。在该方案中，监视输出电压的模拟到数字变换器被设计成仅处理期望的(目标)电压周围的相对窄范围的幅度。该方法背后的洞察是，在正常操作期间输出电压非常接近于目标值。这是因为现代电子系统需要非常精确的电压调节并且这样的性能对于整个系统的适当操作而言绝对是必需的。如果输出电压位于目标窗口以外，则通常要实现紧急关断或其它特别措施。

尽管采用窗口a/d转换的数字控制器在DC到DC变换器中很流行，但这样的控制器不适合于PFC变换器。这是因为这样的控制器仅采用单个电压回路工作，而PFC需要两个回路并且它们中的一个是平均电流模式控制回路。

发明内容