1前言
1.1课题背景
电力电子技术属于电子技术的分支，近年来伴随着电力电子器件以及换流技术的进步而获得了长足的发展，主要的应用领域是用于电能转换及其相关的行业并且在通信、能源、交通运输等国家关键性的科技领域发挥着极其重要的作用。电力电子技术一个非常重要的应用场合是开关电源领域，众所周知在日常的生活中我们需要的电压等级是不尽相同的，比如通信行业我们需要5V，12V，15V,48V等等，这就需要将电能变换为我们生活所需的。此外人们对于安全，智能等方面的要求日益提高，这无疑对电源行业也是一个全新的挑战乂因此，如何采用最优的控制方式和控制算法去满足这些需求就成为研究的一个热点问题。
回顾整个电源的发展史，我们轻易就可以发现其控制策略都是用模拟IC芯片搭接完成，在看到模拟方式控制的优越性的同时，我们也看到其在某些方面的不足，比如对于在某些特殊场合使用的负载，我们的幵关电源有时就难以满足要求。随着通信，网络，数据传输，计算机等技术的不断更新换代和日趋成熟，数字信号处理技术也有了可喜的进步，当下很多科研院所都将数字电源作为主攻的一个方向，在该领域，艾默生具有很强的技术积累，在数字电源领域一直居于领跑者地位。
虽然数字系统优势明显，但是发展速度比人们当初的预期要慢，这是因为其技术还不够成熟，主要表现为价格昂贵，处理速度慢，这与模拟IC比起来丝毫没有优势。随着 DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field Programmable Gate Array)等数字处理器的高速发展，数字处理器作为开关电源的核心已经成为了可能。图1.1是一个典型数字系统的意图。
1.2数字控制的开关变换器的发展现状
1.2.1数字电源的基本概念
在电力电子领域，数字控制应用于DC-DC变换器经过了一定的阶段，大致可分为如下几个过程：
(1)数字处理器只起辅助作用的开关DC-DC变换器在此类的应用当中，核心的电路仍然是模拟电路，这就好比在传统的模拟电源中额外的添加了一部分的数字电路，而这部分数字电路只起诸如状态显示和监测这样的辅助的作用。
(2)半数字控制的幵关DC-DC变换器所谓的半数字控制，顾名思义就是模拟电路和数字电路一起共同作为控制环路。比如在某些特定的应用场合，采样给定信号用误差放大器实现，而给定信号和载波相比较却使用数字控制器来实现。
(3)全数字控制的幵关DC-DC变换器全数字，如其字面意思，所有的控制环路都是由数字控制处理器来完成实现的，包括采样，环路算法，DPWM等，严格意义上来讲这才是真正的数字幵关变换器，目前，成功应用的电路有 UPS(Uninterruptible Power System),PFC(Power FactorCorrection),APF (Active Power Filter)等。
我们发现其实前两种电路，数字控制器都没处于核心地位，它只是在一定程度上弥补了模拟电路的缺陷，但是随着与数字处理器相关产业的飞速发展，进一步推动了全数字开关变换器的发展，相信在不久的将来，一定会占有大量的市场份额。
2.1直流噪声带来的误差
2.1.1热漂移
如果我们将运算放大器的两个输入端短路，那么就有V。= a(Vp - Vw ) = a X 0 = 0，然而由于Vp和v#的输入级两部分之间存在固有的失配，所以通常实际运算放大器的。为了使V。等于零，必须在输入管脚之间加入一个合适的校正电压（失调电压），而与失调电压相关的又主要包括热漂移，供电电源抑制比，共模抑制比三个方面。与温度有关，可用温度系数来表征。热漂移主要由两部分原al因造成的，一是器件本身存在固有的失配，二是输入级两部分随温度变化的趋势不同导致有温度差。一般情况下，datasheet都会给出常温下的失调电压以及温度系数，据此我们就可以用下式轻易求出任何温度下的失调电压。
2.2交流噪声带来的误差
根据噪声源的不同，可以将交流噪声分为外部噪声（或称干扰噪声）和内部噪声(或称固有噪声）。前者是由电路和外界之间，甚至是电路自身的不同部分之间多余的相互作用产生的，它可以是周期的，间歇的或完全随机的，我们可以通过一些预防措施，比如滤波，去稱，隔离，电磁屏蔽等来降低或者防止干扰噪声。而后者源于各种随机现象，它是我们不可预知的，可能存在也可能不存在，有很大的随机性，因此是没办法消除我们可以用如图2.4所示的三个等效噪声源来表征运放的噪声，电流源和一个频谱密度为的电IE源。
多数运放的噪声分布其实是呈现的一定的规律性，通常情况下，高频段主要是以白噪声为主，低频段以1//噪声为主。对于前者而言，带宽越宽，那么功率就越大。后者不是简单的正相关，功率取决于频带的上限和下限的比值。因此，为了使噪声最小，必须将频带宽度严格限制在能够符合要求的最小宽带上。输入电压的等效交流噪声模型如图2.5所示，下面我们分别収带宽为500k和100k，看其误差与带宽的关系。
3 关于数字控制的若干问题的探讨................................ 35-48
3.1 分辨率............................... 35-39
3.2 ADC分辨率............................... 39-41
3.2.1 电感电流的分辨率............................... 39-41
3.2.2 输出电压的分辨率............................... 41
3.2.3 输入电压的分辨率............................... 41
3.3 PWM的分辨率............................... 41-43
3.4 离散化方法的比较 ...............................43-47
3.5 本章结论............................... 47-48
4 PFC的数字控制............................... 48-68
4.1 谐波的基本概念 ...............................48-50
4.2 PFC电路的基本原理............................... 50-52
4.3 PFC电路存在的问题分析............................... 52-58
4.3.1 前馈电压的引入............................... 52-54
4.3.2 前馈电压带来的三次谐波............................... 54-56
4.3.3 前馈电路的设计............................... 56-58
4.4 基于DSP的前馈计算............................... 58-60
4.4.1 频率的计算............................... 59
4.4.2 前馈分量的计算............................... 59-60
4.5 仿真与实验波形............................... 60-67
4.6 本章结论............................... 67-68
结论
结 论本文以数字控制的PFC电路作为基础，对于如何设计合理的信号调理电路；如何保证系统的分辨率满足设计要求；如何确保模拟补偿器离散为数字补偿器时选用的双线性变换法是最优的展开了详细讨论，此外还用软件实现了数字前馈。具体的结论如下：
1.因为送入DSP的信号必须小于3.3V，所以调理电路的作用就是要将信号转换为合适的我们需要的信号。通过两款不同运放在同一个电路中的实际应用，对比分析了因运放的选取不同而给电路带来的误差也是不尽相同的，我们对误差进行了仿真，仿真结果与理论计算值基本吻合；此外带宽的选取对于采样结果的影响也至关重要，如果带宽选择不合适，那么采样结果的实时跟踪性将变的很差。
2.信号调理电路的输入阻抗对于采样结果的影响也较大。本文给出了 DSP内部的ADC电路的等效模型，并且通过对一个实际常见电路的分析和实验，验证了若外部输入阻抗选择不合适，那么采样值和实际值会有一定的出入，严重时误差会很大。
3.ADC本身的增益误差和失调误差也会导致采样出现偏差。本文给出了三种提高DSP内部ADC采样精度的方法：软件校正，外置AD，采用双排序模式。除此之外，还给出了信号调理电路在布线时应该注意的一些问题和相应的解决方法。
4. AD采样的过程即一个量化编码的过程，那么必然导致采样值和理论计算值有出入，从而会引入误差。为了简单而直观的表示该误差，本文引入了方波和银齿波两种情况，并且得到了其在最坏情况下的分辨率的计算公式。然后针对PFC电路的三路采样信号，经过详细的数学运算推导，验证了我们选取的DSP是完全能够满足要求的。
5.双线性变换法因其独特的优点在模拟系统离散为数字系统中应用及其广泛，本文通过分析其三种变换形式，验证了在时域稳定性方面三者均可以准确反映原系统的稳定性；而在动态响应速度方面，只有（3.24)可以较好反映原系统；在频域方面，也只有(3.24)可以较好近似原系统，其他二者不可取。
6.对于功率因数校正电路而言，为了保证恒功率，那么输入电压和输入电流应该呈反方向变化趋势，但是为了提高功率因数，又要求二者呈正方向变化，所以这是一对矛盾。为解决此问题，本文引入了前馈电压，并用软件编程的方法实现了数字前馈控制算法，而且取得了不错的实验效果。