輸入電壓測量與校準
電壓檢測電路十分簡(jiǎn)單，它可以只是一個(gè)分壓器，如圖2所示。一般，會(huì )有一些箝制二極管來(lái)保護ADC引腳。由于二極管的反向漏電流影響ADC的測量精確度，因此應選擇使用低反向漏電流的二極管。

圖2 AC輸入電壓檢測電路
 

任何時(shí)候，輸入電壓均為：
 
其中，kv為電壓檢測增益，Cv為ADC轉換輸出（計數），而mv則為電壓檢測偏移量。Kv和mv的校準方法類(lèi)似，都是對電流檢測增益和偏移量進(jìn)行校準。但是，一種更加簡(jiǎn)單的方法是只需根據原理圖進(jìn)行計算。由于沒(méi)有了校準，因此分壓器使用的電阻會(huì )影響測量精確度。我們推薦把低容差電阻器用作分壓器，例如：0.1%容差。

一個(gè)12位ADC和2.5V基準電壓的數字控制器，輸入電壓被分壓器衰減至2.5V以下。這樣，經(jīng)過(guò)衰減的信號被ADC轉換為數字信號。因此：
 
重寫(xiě)方程式8之后，輸入電壓為：
 
因此：
 
以及：
 
與輸入電流測量類(lèi)似，需要對電壓檢測增益和偏移量進(jìn)行一些操作，以使其適應定點(diǎn)微處理器，并降低計算誤差。

VIN和IIN相互關(guān)系
真實(shí)輸入功率定義為：
 
使用離散格式后，其定義為：
 

其中，N為總采樣數。方程式13表明，需同時(shí)對VIN和IIN采樣。但是，VIN和IIN卻是由兩個(gè)不同的ADC通道在不同時(shí)間采樣。即使是很小的時(shí)間差，也會(huì )引起測量誤差。在一些數字控制器中，例如：TI UCD3138等，具有一種被稱(chēng)作“雙采樣保持”的機制，其允許兩種通道同時(shí)采樣，從而消除了這種誤差。

由于電流檢測電路中使用了低通濾波器，受測電流信號出現延遲，并且實(shí)際電流存在相移。圖3顯示了這種情況，圖中，通道2為實(shí)際電流信號，通道1為經(jīng)過(guò)放大的相同信號，其隨后經(jīng)低通濾波器輸出。該放大信號有約220 μs的相位延遲。需要對這種延遲進(jìn)行補償，否則它會(huì )影響輸入功率測量的精確度。一種簡(jiǎn)單的補償方法是，讓VIN-sense信號延遲約220μs，然后使用該經(jīng)過(guò)延遲的VIN信號來(lái)進(jìn)行輸入功率計算。所以，如果每隔20μs測量一次VIN，則需要對其延遲220/20 =11次。

圖3 電流檢測相移
 

真實(shí)輸入功率計算
組合方程式1、7和13，得到：
 
VIN和IIN由ADC在標準中斷環(huán)路中測量，其具有一定的限制時(shí)間，并且主要用于PFC環(huán)路控制。因此，為了節省CPU計算時(shí)間和防止標準中斷環(huán)路溢出，僅在該環(huán)路中計算Cv(n)C
i(n)。另外，方程式14的 以及 各項，使用無(wú)限脈沖響應（IIR）濾波器來(lái)實(shí)現。在背景環(huán)路中完成真實(shí)輸入功率的最終計算。

輸入RMS電流計算
圖1所示數字控制器所進(jìn)行的電流測量并不代表總輸入電流，因為電磁干擾（EMI）濾波器中電容的作用未包括在內。在高線(xiàn)壓和輕負載條件下，這種濾波器電流不再可以忽略不計，必須將其包括進(jìn)來(lái)，以實(shí)現精確的輸入電流報告。

圖4顯示了一種簡(jiǎn)化版的EMI濾波器，我們去除了電感器，并使用一個(gè)單電容器（C）來(lái)代替總電容。圖中，IEMI為EMI電容器的RMS電抗性電流，IMeasure為數字控制器測量的輸入RMS電流，而IIN則為總輸入RMS電流。

圖4 簡(jiǎn)化版EMI濾波器的電流
 

EMI濾波器產(chǎn)生的電抗性電流為：
 
為了計算EMI電容器的電抗性電流，首先需要知道輸入電壓頻率。AC線(xiàn)壓和中性點(diǎn)電壓由兩個(gè)ADC通道檢測，然后通過(guò)固件整流。通過(guò)對比兩個(gè)ADC結果，我們可以發(fā)現零交叉。由于使用固定率對輸入電壓進(jìn)行采樣，因此可以通過(guò)計數兩個(gè)連續零交叉點(diǎn)之間的采樣數來(lái)計算AC頻率。一旦知道輸入電壓頻率，便可計算EMI電容器的電抗性電流：
 
如前所述，在標準中斷環(huán)路中測量電壓，因此為了節省CPU計算時(shí)間和防止該環(huán)路溢出，僅在其內計算 。
方程式16的 和 項，通過(guò)IIR濾波器實(shí)現。在背景環(huán)路中計算最終EMI電抗性電流。ADC測得電流為：
 
使用離散格式，它可以寫(xiě)為：
 
組合方程式1和18得到：
 
所前所述，在標準中斷環(huán)路中測量電流，因此僅在該環(huán)路中計算 。
方程式19的 和 項通過(guò)IIR濾波器實(shí)現。

最后，把EMI濾波器的電抗性電流（IEMI）加上IMeasure（RMS），得到總輸入電流。IEMI領(lǐng)先受測電流（IMeasure（RMS））90º，因此，在背景環(huán)路中計算最終輸入RMS電流。
 

測試結果
這種輸入功率和RMS電流測量方法在一個(gè)360W的PFC評估模塊上進(jìn)行了測試。結果（表1）表明，這種方法擁有優(yōu)異的測量精確度。

表1 輸入功率和RMS電流測量的測試結果

 

結論
我們?yōu)槟�介紹了一種低成本但卻精確的離線(xiàn)電源輸入功率和RMS電流測量方法。這種方法使用現有PFC控制器芯片和硬件，無(wú)需傳統的專(zhuān)用功率計芯片和額外的檢測電路，并且不影響正常的PFC控制。另外，它還具有如下一些特點(diǎn)：

    極低的成本
    簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)校準
    使用雙采樣保持，VIN和IIN同時(shí)采樣
    固件EMI電流補償
    固件電流檢測，相移補償
    優(yōu)化的數學(xué)計算，CPU使用開(kāi)銷(xiāo)較少