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，谐波会增加电网电路的损耗。解决用电设备谐波污染的主要途径有两种：

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、装置产生的谐波；二是改进电力电子装置本身，使之不产生或产生很小的谐波，如采用功率因数校正技术。两者相比较前者是消极的方法，即在装置产生谐波后，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，对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 系统总体方案设计及实现方框图

系统主要包括整流、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需要的交流电压，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，输入电流连续、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，以提供单片解决方案。

MSP430 系列单片机的电源电压采用1.8~3.6 V 低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1 μA,活动模式耗电250 μA/MIPS（MIPS: 每秒百万条指令数），I/O 输入端口的漏电流最大仅50 nA, 远低于其他系列单片机（一般为1~10 μA），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 主要功能电路设计

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，变压器会产生漏磁及电磁干扰，如果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产生新的中性线，避免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。电流内环的作用是控制网侧输入电流的波形和相位；电压外环的作用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，主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+5 V 基准电压进行比较， 经差分放大后改变PWM 斜率。系统稳定时Vsense 脚的电压为5 V.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）=0.66 V。I L_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220 Ω 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U IN_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U IN_RIPPLE（max）决定。输入滤波电容的值可通过以下公式计算：

、

其中fsw =65 K，ΔI RIPPLE =0.2，IRIPPLE =ΔIRIPPLE I IN_PEAK （max），ΔV IN_RIPPLE =0.06,V IN_RECTIFED （max） = √2 V IN （max） ，V IN_RIPPLE （max） =ΔVIN_RIPPLE V IN_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