本發明涉及一種開關電源PFC校正控制系統及其PWM信號產生方法，屬于功率因數校正技術領域。

背景技術：

隨著電力電子技術的快速發展，越來越多的電力電子設備被應用于各個領域，而在現代的電子產品中，不可獲缺的就是電源裝置。開關電源由于體積小、功耗低、穩壓范圍寬、效率高等優點被廣泛應用。但開關電源的能量來源于電網，并通過整流裝置與其相連。整流裝置中經常含有二極管或者晶閘管等非線性元件與電容組成的電容濾波型橋式結構，這就造成了開關電源的輸入阻抗為阻容性，因此即使輸入電壓的波形為正弦波，輸入電流的波形也會因為阻抗為阻容性而呈現脈沖狀，發生嚴重的畸變，諧波含量較高，污染電網。

為了解決諧波污染問題，科學家們提出了功率因數校正(Power Factor Correction簡寫為PFC)技術。根據功率因數的計算公式可以通過提高諧波因數γ或相位因數使功率因數達到1。因此，提高PF需要做兩個工作：一是穩定輸出電壓，使其近似恒定；二是通過控制輸入電流，使得輸入電流與輸入電壓同相位，且波形跟隨輸入電壓。現在通常應用電壓外環與電流內環共同控制的控制策略來控制輸出電壓、輸入電流。因此，在達到功率因數校正目的的前提下研究不同的控制方法，簡化控制電路具有重要意義。目前，已經有很多用DSP微處理器來通過一定的控制方法來產生PWM信號的研究，但DSP采樣頻率不高并且處理算法時速度較慢，導致PFC校正在高頻率、高精度場合不能滿足要求。隨著集成邏輯器件的飛速發展，利用可編程邏輯器件高速并行處理能夠提高處理速度和集成化。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種開關電源PFC校正控制系統及其PWM信號產生方法，解決了上述單片機和DSP處理速度慢的問題，并且能夠更加精確地提高功率因數，使其控制更靈活。

本發明采用的技術方案是：一種開關電源PFC校正控制系統，包括EMI濾波模塊1、整流模塊2、Boost升壓模塊3、電流電壓采樣模塊4、保護模塊5、控制模塊6、驅動模塊7、顯示模塊8；

所述EMI濾波模塊1的輸入端接交流電源，輸出端與整流模塊2的輸入端連接，整流模塊2的輸出端與Boost升壓模塊3的輸入端連接，Boost升壓模塊3的輸出端與電流電壓采樣模塊4的輸入端連接，電流電壓采樣模塊4、保護模塊5的輸出端均與控制模塊6的輸入端連接，控制模塊6的輸出端分別連接驅動模塊7、顯示模塊8，驅動模塊7的輸出端連接Boost升壓模塊3的輸入端，控制模塊6內部設有FPGA器件，FPGA器件內部的數據處理模塊采用平均電流控制方式產生PWM控制信號，所述的FPGA器件為EP4CE6F17C8。

所述的FPGA器件內設有A/D驅動模塊，電流電壓采樣模塊4內部設有A/D轉換電路控制端，A/D驅動模塊通過輸出接口與A/D轉換電路控制端相連。

所述的電流電壓采樣模塊4內部的A/D轉換電路控制端為ALINX9226，采用AD9226芯片。

一種開關電源PFC校正控制系統的PWM信號產生方法，所述平均電流控制方式包括:所述平均電流控制方式包括:與整流模塊2連接的電阻R1，電阻R1一端與R2串聯接地，另一端與電感L連接，電感L接Boost升壓模塊3中開關管MOSFET漏極，MOSFET源極接地，MOSFET漏極與二極管陽極相接，二極管陰極接穩壓電容C接地，負載R3與電容C并聯，電阻R4與R5串聯接地，FPGA器件的三路AD采樣ADCIN0、ADCIN1、ADCIN2分別接電感輸入端、a點和b點，FPGA內部的處理器對輸出電壓V_o、輸入電壓V_i、電感電流i_L的采樣檢測分別由K_d、K_f、K_s來表示；K_m為乘法器增益，可以在輸入電流在一定范圍內變化時，使參考電流信號隨其變化；PFC的輸出V_o與參考V_ref相比較，其差值V_error經電壓環G_ve輸出控制信號v_c，v_c與輸入電壓V_i的采樣信號K_fV_i及其輸入前饋信號相乘得到電流參考信號i_ref，i_L的采樣信號K_si_L與i_ref比較后，其差值經過電流環G_ic輸出控制信號u_ca，u_ca經比例F_m后與三角波比較得到PWM波，PWM波通過驅動模塊7接開關管MOSFET,

其中，

本發明的有益效果在于：使用硬件描述語言完成傳統數字邏輯電路和模擬電路的設計，而且利用FPGA高速并行處理、處理能力強的特點，加快了采樣數據處理算法的運算速度，克服單片機和DSP導致的運算速度慢的缺點，提高了功率因數校正的精度并使其控制更靈活。

附圖說明

圖1是本發明采用系統的連接框圖；

圖2是圖1對應的硬件系統主體設計示意圖；

圖3是本發明平均電流控制方式的工作原理圖。

圖4是圖2中高溫保護電路12的部分原理圖。

圖中各標號為：1-EMI濾波模塊，2-整流模塊，3-Boost升壓模塊，4-電流電壓采樣模塊，5-保護模塊，6-控制模塊，7-驅動模塊，8-顯示模塊，9-EMI濾波電路，10-整流電路，11-Boost升壓電路，12-溫度采集電路，13-電流電壓采樣電路，14-FPGA器件，15-驅動電路，16-顯示電路。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，對本發明進一步說明。

實施例1，如圖1-4所示，一種開關電源PFC校正控制系統，包括：EMI濾波模塊1，減少了開關電源對電網的污染；整流模塊2，將交流電轉換為直流電；Boost升壓模塊3，本發明開關電源的PFC校正選擇Boost升壓拓撲；電流電壓采樣模塊4，通過A/D轉換器對輸入電流輸入電壓及輸出電壓進行信號采集；保護模塊5，保護開關電源因溫度等不確定因數對開關電源造成的損壞；控制模塊6，利用FPGA高速并行處理產生PWM信號；驅動模塊7，PWM波通過驅動模塊驅動Boost升壓模塊中的開關器件MOSFET，使得輸入電流相位跟隨輸入電壓相位，以此來提高開關電源的功率因數，減少輸入側諧波。

所述EMI濾波模塊1的輸入端接交流電源，輸出端與整流模塊2的輸入端連接，整流模塊2的輸出端與Boost升壓模塊3的輸入端連接，Boost升壓模塊3的輸出端與電流電壓采樣模塊4的輸入端連接，電流電壓采樣模塊4、保護模塊5的輸出端均與控制模塊6的輸入端連接，控制模塊6的輸出端分別連接驅動模塊7、顯示模塊8，驅動模塊7的輸出端連接Boost升壓模塊3的輸入端，控制模塊6內部設有FPGA器件，FPGA器件內部的數據處理模塊采用平均電流控制方式產生PWM控制信號。

所述控制模塊FPGA器件采用Altera公司生產的Cyclone IV系列EP4CE6F17C8，所述的FPGA器件內部的A/D驅動模塊通過輸出接口與電流電壓采樣模塊的A/D轉換電路控制端相連；FPGA器件內部的數據輸入接口與其內部的數據處理模塊相連。

其中平均電流控制方式是指檢測到的輸入電壓信號與電壓補償器的輸出信號經過乘法器產生電流基準值，采樣的電感電流信號與基準電流經過電流比較器和補償器后產生PWM信號。

進一步地，所述的電流電壓采樣模塊4內部的A/D轉換電路控制端為ALINX9226，采用AD9226芯片。

所述一種開關電源PFC校正的控制方法的硬件設計示意圖如圖2所示，主要包括EMI濾波電路9，整流電路10，Boost升壓電路11，高溫保護電路12，電流電壓采樣電路13，FPGA器件14和驅動電路15。

所述EMI濾波電路9采用一個二階的LC濾波器，其取值原則是在最小的體積下達到最好的濾波效果，減少開關電源對電網的污染；所述整流電路10，采用整流橋LM317將交流電轉換為直流電；所述Boost升壓電路11，本發明開關電源的PFC校正選擇Boost升壓拓撲；所述電流電壓采樣電路13，通過給A/D轉換模塊ALINX9226提供時鐘CLOCK，將電感電流輸入電壓及輸出電壓的模擬信號轉換成數字信號，進行信號采集。

所述高溫保護電路12，保護開關電源因溫度等不確定因數對開關電源造成的損壞，圖4為溫度采集電路，采用TMP102-Q1低功耗數字溫度傳感器，由于TMP102-Q1功率很低在電源中會產生低噪聲，所以在其V+管腳上添加一個RC濾波器，電阻小于等于5KΩ，電容小于等于10nF，FPGA通過采集到的溫度信號判斷是否輸出控制信號。

所述驅動電路15，驅動電路為互補三極管驅動，實現MOSFET的快速關斷減少開關損耗。

所述平均電流控制方式具體工作原理圖如圖3所示，整流電路10接電阻R1,電阻R1一端與R2串聯接地，另一端與電感L連接，電感L接Boost升壓電路11中開關管MOSFET漏極，MOSFET源極接地，MOSFET漏極與二極管陽極相接，二極管陰極接穩壓電容C接地，負載R3與電容C并聯，電阻R4與R5串聯接地。FPGA器件的三路AD采樣ADCIN0、ADCIN1、ADCIN2分別接電感輸入端、a點和b點。FPGA內部的處理器對輸出電壓V_o、輸入電壓V_i、電感電流i_L的采樣檢測分別由K_d、K_f、K_s來表示；K_m為乘法器增益，可以在輸入電流在一定范圍內變化時，使參考電流信號隨其變化；PFC的輸出V_o與參考V_ref相比較，其差值V_error經電壓環G_vc輸出控制信號v_c，v_c與輸入V_i的采樣信號K_fV_i及其輸入前饋信號相乘得到電流參考信號i_ref，i_L的采樣信號K_si_L與i_ref比較后，其差值經過電流環G_ic輸出控制信號u_ca，u_ca經比例F_m后與三角波比較得到PWM波，PWM波通過驅動電路15接開關管MOSFET，

其中，

具體地，所述一種開關電源PFC校正的控制方法由片上可編程邏輯電路與外圍電路兩部分組成。

所述片上可編程邏輯電路采用FPGA器件14，在Altera Quartus II開發環境下，用任何一個HDL語言(如VHDL或Verilog)，編寫3個邏輯模塊。3個邏輯模塊分別為A/D驅動模塊、數據輸入模塊、綜合數據處理模塊。將這個3個模塊連接成完整電路，編譯并生成用戶設計的邏輯電路的固件，通過JTAG接口下載到FPGA中進行在線調試。調試通過后的固件，可通過AS接口下載并保存到Flash存儲器中，這樣FPGA上電后，系統自動配置，得到所需的邏輯電路。可以讀取前置Boost電路的采樣信號，進行實時處理。

所述外圍電路主要由EMI濾波電路9、整流電路10、溫度采集電路12、電流電壓采樣電路13、驅動電路15組成。

所述EMI濾波電路9是一種由電容和電感組成的低通濾波電路，它允許直流或者是工頻信號通過，對頻率較高的其他信號有較好的衰減作用；EMI輸入端與電網相接，其輸出端連接整流電路輸入端將交流電轉換為直流電，整流電路輸出端與Boost升壓電路11輸入端連接；溫度采集電路12輸入端與Boost升壓電路11相連，其輸出端連接FPGA器件14輸入端，當系統溫度過高時，FPGA器件14停止向驅動電路輸送信號，等待系統溫度恢復穩定在工作溫度范圍內后繼續輸出信號；電流電壓采樣電路13輸入端通過探頭獲取輸入電壓、輸出電壓和電感電流數字信號，其輸出端與FPGA器件14相接，FPGA器件14內部處理器通過一定算法輸出控制信號給驅動電路15輸入端，驅動電路15輸出端與Boost升壓電路11輸入端連接。

以上所述為本發明實施例的詳細說明，并不用于限制本發明。凡在本發明的精神和原則之內，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有任何修改和變化所作的任何修改都應包含在本發明的保護范圍之內。