输入功率和RMS电流测量解决方案
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测量装置
图1显示了由一个数字控制器进行电源隔离控制的传统PFC装置。输入线路和中性点电压通过一个衰减网络检测，之后由两个单独的模数转换器 （ADC） 输入采样。电流信号经由一个分流器检测，然后被信号调节电路放大和滤波。之后，连接至一个ADC进行电流环路控制。由于输入电压和电流测量已经具备，因此可用它们来测量输入功率和RMS电流。一样的传统PFC装置用于这些测量，无需传统专用功率计芯片和附加检测电路。
图1 输入功率和电流测量PFC装置
电流测量与校准
电流检测信号调节电路（图1）一般由一个运算放大器和一个低通滤波器组成，目的是放大小检测信号和去除高频噪声。之后，通过一个ADC测量该信号，并以ADC计数报告。为了获得真实的电流值，需把ADC计数转换为以安培为单位的电流。ADC计数与安培的关系可由原理图推导得出；但是，组件容差可能会使测量精确度变得不可接受。因此，需要进行一次校准。
电路如图1所示，在任何时候，分流器的输入电流（单位毫安培）均为：
计算得到的ki和mi为小数，小于1,而PFC应用的大多数数字控制器均使用定点数学计算。为了降低计算的化整误差和保持足够高的精确度，把这些小数值乘以2N,然后四舍五入为最为接近的整数。例如，如果PFC电路的电流检测增益和偏移量计算得到为ki= 1.59和mi= 229.04,则ki乘以28,然后四舍五入为407;mi乘以20.电流斜率和偏移量分别为：
其中，iin_slope = 407,iin_slope_shift = 8,iin_offset = 229,而iin_offset_shift = 0.
计算得到输入功率和RMS电流以后，如果ki和mi为倍数，则不要直接使用它们，你可以先使用iin_slope和iin_offset来做乘法运算。然后，使用iin_slope_shift和iin_offset_shift来转换结果。例如，不要使用y = ki× x + mi× z进行计算，而要使用下面的计算方法：
电压检测电路十分简单，它可以只是一个分压器，如图2所示。一般，会有一些箝制二极管来保护ADC引脚。由于二极管的反向漏电流影响ADC的测量精确度，因此应选择使用低反向漏电流的二极管。
图2 AC输入电压检测电路
任何时候，输入电压均为：
其中，kv为电压检测增益，Cv为ADC转换输出（计数），而mv则为电压检测偏移量。Kv和mv的校准方法类似，都是对电流检测增益和偏移量进行校准。但是，一种更加简单的方法是只需根据原理图进行计算。由于没有了校准，因此分压器使用的电阻会影响测量精确度。我们推荐把低容差电阻器用作分压器，例如：0.1%容差。
一个12位ADC和2.5V基准电压的数字控制器，输入电压被分压器衰减至2.5V以下。这样，经过衰减的信号被ADC转换为数字信号。因此：
与输入电流测量类似，需要对电压检测增益和偏移量进行一些操作，以使其适应定点微处理器，并降低计算误差。
VIN和IIN相互关系
真实输入功率定义为：
其中，N为总采样数。方程式13表明，需同时对VIN和IIN采样。但是，VIN和IIN却是由两个不同的ADC通道在不同时间采样。即使是很小的时间差，也会引起测量误差。在一些数字控制器中，例如：TI UCD3138等，具有一种被称作“双采样保持”的机制，其允许两种通道同时采样，从而消除了这种误差。
由于电流检测电路中使用了低通滤波器，受测电流信号出现延迟，并且实际电流存在相移。图3显示了这种情况，图中，通道2为实际电流信号，通道1为经过放大的相同信号，其随后经低通滤波器输出。该放大信号有约220 μs的相位延迟。需要对这种延迟进行补偿，否则它会影响输入功率测量的精确度。一种简单的补偿方法是，让VIN-sense信号延迟约220μs,然后使用该经过延迟的VIN信号来进行输入功率计算。所以，如果每隔20μs测量一次VIN,则需要对其延迟220/20 =11次。
图3 电流检测相移
真实输入功率计算
组合方程式1、7和13,得到：
输入RMS电流计算
图1所示数字控制器所进行的电流测量并不代表总输入电流，因为电磁干扰（EMI）滤波器中电容的作用未包括在内。在高线压和轻负载条件下，这种滤波器电流不再可以忽略不计，必须将其包括进来，以实现精确的输入电流报告。
图4显示了一种简化版的EMI滤波器，我们去除了电感器，并使用一个单电容器（C）来代替总电容。图中，IEMI为EMI电容器的RMS电抗性电流，IMeasure为数字控制器测量的输入RMS电流，而IIN则为总输入RMS电流。
图4 简化版EMI滤波器的电流
EMI滤波器产生的电抗性电流为：
使用离散格式，它可以写为：
测试结果
这种输入功率和RMS电流测量方法在一个360W的PFC评估模块上进行了测试。结果（表1）表明，这种方法拥有优异的测量精确度。
表1 输入功率和RMS电流测量的测试结果
结论
特点：
极低的成本
简单的两点校准
使用双采样保持，VIN和IIN同时采样
固件EMI电流补偿
固件电流检测，相移补偿
优化的数学计算，CPU使用开销较少
本文介绍的这种新颖、低成本且精确的输入功率和RMS电流测量解决方案，使用现有的数字功率因数校正（PFC）控制芯片和硬件，以及简单的两点校准和优化数学计算。这样便可提供优异的测量精确度，并极大降低成本和减少工作量，同时不影响正常的PFC控制。
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