基于MSP430的高功率因数电源

在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分转换为有功功率，从而提高电能输送的效率。提高功率因数必须从相位校正技术和谐波消除技术两个方面考虑，无功分量基本上为高次谐波，谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使电网电压发生畸变，影响供电系统的供电质量，谐波会新增电网电路的损耗。解决用电设备谐波污染的重要途径有两种：

一是增设电网补偿设备（有源滤波器和无源滤波器）以补偿电力电子设备、装置出现的谐波；二是改进电力电子装置本身，使之不出现或出现很小的谐波，如采用功率因数校正技术。两者相比较前者是消极的方法，即在装置出现谐波后，进行集中补偿；后者是积极的方法，也是谐波抑制的重要方法。减小谐波污染、提高功率因数，关于提高电网电质量和用电效率、缓解我国的能源短缺问题等都具有重要的现实意义。本系统基于MSp430的高功率因数电源对功率因数校正进行了一定的研究，MSp430是低功耗单片机，将低功耗单片机与功率因数校正相结合具有深层次的研发意义。

1系统总体方法设计及实现方框图

系统重要包括整流、功率因数校正、Boost升压等几个部分。电源变压器将较高的市电电压降低到符合整流电路所要的交流电压，经整流电路后得到直流电。将得到的直流电送入Boost升压电路进行升压，Boost电路的输出电压极性与输入电压极性相同，但总高于输入电压，输入电流持续、输出电压与负载电流无关，输出阻抗非常低，通过控制开关管通断的占空比来控制输出电压。pFC控制部分采用有源pFC（也称主动式pFC）功率因数校正可以实现高输入功率因数和低输入电流谐波含量，并且开关管的电压应力和电流应力都比较小。电压适应范围宽，功率因数高。本系统采用两级pFC技术，即在整流滤波和DC/DC功率级之间加入有源pFC电路为前置级，用于调高功率因数和实现DC/DC级输入的预稳，该技术一般用于大功率输出场合。

MSp430作为控制和运算核心，它具有处理能力强，运行速度快、资源丰富、开发方便等优点。MSp430系列单片机是16位超低功耗的混合信号处理器，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以供应单片解决方法。

MSp430系列单片机的电源电压采用1.8~3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1A,活动模式耗电250A/MIpS（MIpS:每秒百万条指令数），I/O输入端口的漏电流最大仅50nA,远低于其他系列单片机（一般为1~10A），MSp430系列单片机堪称目前世界上功耗最低的单片机，其应用系统可以做到用一枚电池使用10年。系统整体设计如图1所示。

图1系统实现方框图

2重要功能电路设计

2.1隔离变压器部分

本系统中要做好隔离变压器本身接地的回路，变压器会出现漏磁及电磁干扰，假如没有配置好接地线路，即使做再多的隔离效果也是有限的。把隔离变压器用在交流电源输入端时，若电网3次谐波和干扰信号比较严重，可以去掉3次谐波和减少干扰信号，采用隔离变压器可以出现新的中性线，防止由于电网中性线不良造成设备运行不正常，非线性负载引起的电流波形畸变可被隔离而不污染电网。

2.2功率因数校正控制电路及数字设定电路的设计

本系统选用CCM模式pFC控制器UCC28019实现最终的功率因数校正，CCM的输入电流畸变很小，动态响应快，不会有很高的峰值电流。该芯片通过双闭环控制：电流内环和电压外环。电流内环的用途是控制网侧输入电流的波形和相位；电压外环的用途是控制输入电流的幅度，以使输出直流电压在各种扰动下保持期望值。该控制系统具有许多系统级的保护功能，重要包括峰值电流限制、软过流保护、开环检测、输入掉电保护、输出欠压过压保护、软启动等功能。由芯片UCC28019工作原理知其输出pWM波形占空比是根据电压环路的反馈电压输入到Vsense脚与芯片内部+5V基准电压进行比较，经差分放大后改变pWM斜率。系统稳按时Vsense脚的电压为5V.电阻R7、R8分压，通过控制D/A的输出来控制UCC28019的Vsense脚电压，进而控制最终的输出，即数字设定输出。D/A转换器采用16位数模转换器MAX541。

1）电感电流检测电阻的选取

在电感电流超过最大值电流25%时，ISENSE脚电压达到软过流保护阀值的最小值，RSENSE将触发软过流保护。RSENSE应满足如下条件：

其中VSOC（min）=0.66V。IL_pEAK（max）为最大峰值电流。

此外，为保护芯片免受冲击电流的冲击，在ISENSE脚处串联一个阻值为的220Ω电阻（如图2中的R1）。

2）输入滤波电容的选取

在允许有20%的电感电流纹波IRIppLE和6%的高频电压纹波UIN_pIppLE的情况下，输入滤波电容的最大值Cin由输入电流纹波IRIppLE和输入电压纹波UIN_RIppLE（max）决定。输入滤波电容的值可通过以下公式计算：

、

其中fsw=65K，IRIppLE=0.2，IRIppLE=IRIppLEIIN_pEAK（max），VIN_RIppLE=0.06,VIN_RECTIFED（max）=√2VIN（max），VIN_RIppLE（max）=VIN_RIppLEVIN_RECTIFED（max）

3）升压电感的选取。

升压电感的最小值根据最坏的情况（占空比D为0.5）计算得出：

系统主回路如图2所示。

图2主回路