图3 功率因数测量
2.4 过流保护电路的设计
通过单片机实时采样输出电流，当电流过大时单片机控制继电器模块使其断开，系统断电；当故障排除后测得电流值小于预设定值时单片机再次发指令使继电器闭合。电路重新正常工作。电路如图4 所示。
图4 过流保护
3 系统软件设计
本系统选用MSP430F449 低功耗单片机， 负责电压电流的相位检测、功率因数及电压电流峰值的显示、以及相应外部请求对电压值进行调整。相位检测用MSP430 定时器的捕获功能实现。首先对一路电压信号测频，外部信号的上升沿到来时触发中断，记录当前定时器计数器的数值，由两次定时器数值的差值，计算出信号的频率。然后测两路信号相位差，开始启动电压信号的捕获功能；当捕获到该路信号的上升沿并进入中断后，立刻启动定时器计数，开启电流信号的捕获功能，禁能电压信号的捕获功能。当捕获到电流信号的上升沿并进入中断后，记录当前定时器计数器的数值，由此便可计算出电压、电流的相位差，从而算出功率因数。程序中，TimerA 的外部引脚用于按键检测，故用TimerB 的捕获比较器实现[6].用MSP430 自带的AD 对电压、电流信号采样，采样模式为序列通道多次转换， 以便实时显示当前的电压、电流值。当检测到输出电流超过2.5 A 时，控制继电器的关断和电路的复位。流程如图5 所示。
图5 软件流程图
4 测试数据与分析
4.1 测试仪器
15 MHz 函数信号发生器，型号为Agilent33129A.数字示波器，型号为Tektronix TDS 1002,双通道，60 MHz .万用表的型号为FLUKE17B。
4.2 测试方案及结果如下
按照基本要求预置电压设为36 V,当负载变化时，输出电压理论值应不变恒为36 V,输出电流会随着负载的变化而变化。实际中由于各种误差的存在，输出电压和预置电压多少会有一些差距。检测实际输出电压电流，和理论值比较。
变压器副边电流通过电流I2互感器经电阻采样后送示波器显示，测其失真度。
采样电压电流经比较器后可以测得得到相位差，经余弦运算既得功率因数。减小负载使得输出电流增大， 当达到2.5 A 时，检测继电器是否调转，若跳转则过流保护功能可靠。
1）预置输出电压不变（36 V）时，改变负载，测得实际输出电压、电流和功率因数如表1 所示。
表1 负载变化时的电源参数
2）输出电压数字可调。通过按键预置输出电压，测量实际输出电压如表2 所示。
表2 输出电压数字调节
4.3 测试结果分析
测试数据显示，功率因数高达0.999 以上，测量误差的绝对值低于0.84%.测相时，两路信号经比较器之前先进行了饱和放大，让信号的幅值尽量靠近，这样减小了比较误差，在采用MSP430 测相，时钟可能会引来误差，但是参考时钟频率较高（1 MHz），时钟频率非常稳，输入信号频率低（50 Hz），在测相计数的过程中可能有的差距，多计一个数（或者少计一个数），会给测得的相位差带来的偏差，该误差完全可以忽略不计，但在输入信号频率较高时，该误差不能忽略。输出电压数字调节测量时，实际值和理论值有一定误差，但误差较小，在允许的范围内。
5 结束语
本系统较好地设计和实现了高功率因数的直流电源，电源波形畸变非常小，电源效率高，电质量得到改善。目前电能是使用最多的能源之一， 如果电能的使用效率得以提高，那么可以大大减少对能源的浪费。基于低功耗单片机MSP430的高功率因数电源有待进一步深究，有望融入日常生活。低污染、高效率、绿色化、低应力、低输出纹波，这是市场对新型电源的要求。本系统还有很大的发展空间，可以尝试与太阳能、风能相结合。
