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无桥 PFC 软件库架构与功能全景解析

——基于 NXP DSP56800EX 的 TPPFC82748V1.0 实现

一、定位与总体设计目标

TPPFC82748V1.0 是一套面向 500 W 无桥图腾柱 PFC（Totem-Pole Bridgeless PFC）的完整数字电源参考实现。其核心诉求是在单颗 MC56F82748 数字信号控制器上，同时完成：

1. 输入电流 THD≤5 %、PF≥0.99 的功率因数校正；
2. 直流母线电压 0.1 % 稳态精度、±5 V 动态纹波；
3. 全负载范围（10 %–100 %）软启动、过压/欠压/过流/过温保护；
4. 支持在线参数辨识与环路自整定，方便客户二次开发。

软件库采用“分层-组件化”思路，将算法、驱动、保护、调度彻底解耦。通过“配置头 + 静态库”方式交付，客户只需在 user_cfg.h 中打开/关闭宏，即可在“全功能参考设计”与“最小资源占用”两种形态间自由切换。

二、架构剖面：三横四纵的矩阵组织

横向三域：

┌──────────────┬─────────────────────────────┐

│ 算法域（ALG） │ 电流环、电压环、前馈、观测器、PLL │

├──────────────┼─────────────────────────────┤

│ 驱动域（DRV） │ ADC 触发、PWM 更新、CMP 中断、GPIO 保护 │

├──────────────┼─────────────────────────────┤

│ 调度域（SCH） │ 1 ms 主节拍、事件触发、状态机、故障管理 │

└──────────────┴─────────────────────────────┘

纵向四条“总线”贯穿三域：

1. 数据总线：统一 16/32 bit Q 格式，所有接口采用结构体封装，避免全局标量；
2. 参数总线：系数表、限幅值、滤波器缓冲全部放在 const 段，支持 ROM 重映射；
3. 事件总线：中断仅置位“事件字”，由主循环调度，保证 0 级中断延迟 < 200 ns；
4. 诊断总线：内部状态快照、故障码、黑匣子记录，通过 JTAG/SWD 可实时读取。

三、算法域深度拆解

1. 电流环：
   采用“预测-校正”型 PI，结合单周期采样保持（SH）模型，将计算提前到 PWM 重载前 250 ns 完成。核心状态机仅 3 个入口函数，全部内联，保证 16 MHz CPU 下 64 kHz 控制频率 CPU 占用 < 42 %。

1. 电压环：
   在 1 ms 任务中执行，使用带抗饱和的增量式 PI；输出自动限幅到电流环给定范围，避免“外环打脸”。参数通过 Ziegler–Nichols 预整定后，允许用户在线切换“快调/慢调”两组系数，满足 PFC 启动与稳态双工况。

1. 前馈通道：
   输入电压经二阶 IIR 陷波（120 Hz）后，计算实时功率前馈量，直接叠加到电流环给定。前馈系数以 32-bit 无符号定点存放，0x00010000 代表 1.0，避免浮点。

1. 观测器：
   内置输入电压幅值观测器、负载阶跃观测器。幅值观测器采用滑动平均 + 峰值保持混合结构，在 1/4 周期内完成收敛；负载阶跃观测器利用直流母线斜率预测，提前 2 ms 通知电流环“预增压”，可将 50 %→100 % 负载跳变下的母线跌落从 18 V 压缩到 7 V。

1. 数字 PLL：
   基于双二阶广义积分器（DSOGI）提取正交信号，再通过 Park 锁相。频率跟踪范围 45–65 Hz，相位抖动 < 0.02°。PLL 输出的 sin/cos 直接供给电流环坐标变换，保证 THD 在轻载下仍 < 3 %。

四、驱动域关键技术

1. ADC 触发：
   利用 eFlexPWM submodule0 的“计数器归零”触发 ADC，采样点落在 PWM 谷值，避开反向恢复噪声；采样序列固化在 ADC 预存队列，一次触发完成 4 路电流+2 路电压共 6 次采样，DMA 自动搬运到双缓冲 RAM。

1. PWM 更新：
   采用“影子寄存器双缓冲”机制，电流环计算结果写入 A 缓冲，在下一个计数周期自动生效，保证 0 周期延迟。图腾柱上下管插入 50 ns 死区，死区宽度根据实时母线电压在线补偿，防止轻载时电流失真。

1. 过流保护：
   模拟比较器（CMP）与 DAC 阈值联动，响应时间 60 ns；一旦触发，硬件强制拉低 PWM，同时记录故障快照（含 16 个历史采样点），供上位机回放。

1. 温度/电压监视：
   片内 12-bit ADC 测量 NTC 与母线电压，利用“窗口看门狗”机制：连续 3 次采样超出阈值才确认故障，避免误触发。

五、调度域状态机

顶层状态机仅 5 态：

IDLE → SOFTSTART → RUN → FAULT → SAFESHUTDOWN

所有状态迁移通过“事件字”驱动，事件字由中断、定时器、通信命令共同设置。主循环每 125 µs 扫描一次事件字，保证最坏情况下的响应延迟 < 250 µs。

六、内存与性能指标

Flash 占用：算法 12 K，驱动 4 K，调度 2 K，合计 18 K/64 K；

RAM 占用：双缓冲 1.5 K，状态机 0.5 K，堆栈 1 K，合计 3 K/8 K；

CPU 负载：64 kHz 电流环 42 %，1 kHz 电压环 3 %，后台通信 2 %，余量 53 %；

中断延迟：电流采样→PWM 更新 250 ns，过流→PWM 封锁 60 ns；

稳态指标：230 VAC 输入，400 VDC 母线，500 W 满载，THD 2.1 %，PF 0.998，效率 98.7 %。

七、二次开发指南

1. 快速裁剪：在 usercfg.h 中关闭 GFLIBRAMP、GMCLIB_DECOUPLING 等宏，可把 Flash 降至 10 K；
2. 参数自整定：运行前接入 UART，发送 $AUTO_TUNE，软件将自动注入 2 % 小信号，测量环路响应并改写 PI 系数；
3. 保护阈值：所有阈值以 Q16 格式存放在 const 段，客户可直接修改数组，无需重新编译算法；
4. 调试接口：通过 JTAG 读取结构体 ALGDbg、DRVDbg、SCH_Dbg，可实时查看电流环输出、PWM 占空、状态机历史；
5. 移植到同系列 MCU：只需替换 device.h 中的寄存器映射，算法层 100 % 复用。

八、小结

TPPFC82748V1.0 以“高内聚、低耦合”为设计核心，把无桥 PFC 的复杂控制问题拆成可插拔的算法组件。客户无需深入底层寄存器，即可在 1 小时内完成从编译到带载运行的全过程；同时又保留完整源码与文档，方便在 500 W–3000 W 区间做功率升级。该软件库不仅是一套参考代码，更是一张“数字电源开发路线图”，为后续图腾柱双向、CRM/DCM 多模式演进奠定了坚实框架。