滿足新應(yīng)用需求的先進(jìn)PFC技術(shù)及解決方案

功率因數(shù)校正(PFC)是電源設(shè)計(jì)人員面臨的重要任務(wù)。根據(jù)IEC61000-3-2諧波標(biāo)準(zhǔn)中的D類規(guī)定，功率在75 W以上的個(gè)人計(jì)算機(jī)和電視機(jī)等電子系統(tǒng)的電源要進(jìn)行功率因數(shù)校正。

根據(jù)輸入電流控制原理的不同，PFC可以分為不同的類型，如臨界導(dǎo)電模式(CrM)、不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)、連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)和頻率鉗位臨界導(dǎo)電模式(FCCrM)等。CrM的的主要特征是電流有效值(RMS)大，開關(guān)頻率不固定，常用于需要簡(jiǎn)單控制方案的照明和交流適配器等低功率應(yīng)用，典型解決方案如安森美半導(dǎo)體NCP1606；DCM的主要特征是電流有效值最高，線圈電感較低及穩(wěn)定性最佳，常見于中低功率應(yīng)用；CCM的主要特征是總是硬開關(guān)，電感值最大，電流有效值最小，在較高功率(>300 W)應(yīng)用中特別受到青睞，典型解決方案如安森美半導(dǎo)體NCP1654；FCCrM的主要特征是電流有效值大，頻率被限制，線圈電感較小，在中等功率條件下具有極高能效，典型解決方案如安森美半導(dǎo)體NCP1605。

值得一提的是，F(xiàn)CCrM可以視作帶有頻率鉗位功能(由振蕩器設(shè)定)的臨界導(dǎo)電模式，綜合了CrM和DCM的優(yōu)點(diǎn)：DCM限制最大開關(guān)頻率，而CrM降低最大電流應(yīng)力?？偟膩?lái)看，F(xiàn)CCrM解決方案似乎擁有最高的能效。

新的應(yīng)用需求為PFC提出更高要求
一些新的應(yīng)用需求推動(dòng)著業(yè)界開發(fā)新的PFC技術(shù)。這其中頗為受人矚目的就是新興的能效標(biāo)準(zhǔn)要求計(jì)算機(jī)ATX電源具有越來(lái)越高的能效。例如，80 PLUS銀級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(等同于“能源之星”5.0版計(jì)算機(jī)電源標(biāo)準(zhǔn)及CSCI標(biāo)準(zhǔn)第三階段目標(biāo))要求，到2010年6月，多路輸出ATX電源在20%、50%和100%負(fù)載條件的能效分別達(dá)到85%、88%和85%，詳見表1所示。

要提高ATX電源能效，以滿足最新能效標(biāo)準(zhǔn)的更高要求，重要的是以系統(tǒng)性的途徑來(lái)分析功率損耗來(lái)源，并針對(duì)性地降低功率損耗。通常而言，我們可以將ATX電源分為PFC段、主開關(guān)電源段和次轉(zhuǎn)換器段。以常見的75%能效ATX電源為例，據(jù)測(cè)算，PFC段的損耗要占總損耗的40%。因此，將PFC段的能效提至最高，有利于實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)總能效。這就需要優(yōu)化PFC控制器及其工作模式與其它元器件的選擇。

            
表1：80 PLUS等能效標(biāo)準(zhǔn)對(duì)多路輸出ATX電源的能效要求  

此外，液晶電視市場(chǎng)近年來(lái)高速發(fā)展，而纖薄型設(shè)計(jì)則為液晶電視提供特別的賣點(diǎn)，受到消費(fèi)者的青睞。最新的液晶電視設(shè)計(jì)更是趨向于將厚度降至10 mm以下，這就使元器件高度受到嚴(yán)格限制，設(shè)計(jì)人員必須盡可能采用更小型的元器件，并降低安裝高度。PFC段同樣受到這方面的制約，值得一提的是，縮小PFC段元器件能夠幫助系統(tǒng)降低高度。
在這些背景下，一些新的PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)開始涌現(xiàn)和應(yīng)用。其中尤以交錯(cuò)式PFC和無(wú)橋PFC為典型。我們將探討這兩種新PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特征、解決方案及性能測(cè)試結(jié)果。

交錯(cuò)式PFC的優(yōu)勢(shì)及解決方案
交錯(cuò)式PFC的主要想法是在原本放置單個(gè)較大功率PFC的地方并行放置兩個(gè)功率為一半的較小功率的PFC，參見圖1。這兩個(gè)較小功率PFC以180°的相移交替工作，它們?cè)谳斎攵嘶蜉敵龆死奂訒r(shí)，每相電流紋波的主要部分將抵消。雖然交錯(cuò)式PFC使用較多的元器件，但其好處也很明顯，如150 W的PFC就比300 W的PFC更易于設(shè)計(jì)，便于采用模塊化的方案，且兩個(gè)DCM PFC就像一個(gè)CCM PFC轉(zhuǎn)換器，這就簡(jiǎn)化電磁干擾(EMI)濾波，并減小輸入電流有效值。特別是采用兩個(gè)較小PFC的設(shè)計(jì)能夠支持厚度低至10 mm的超薄型液晶電視設(shè)計(jì)，且能效極高。

               
圖1：采用兩顆NCP1601 PFC控制器實(shí)現(xiàn)的交錯(cuò)式PFC架構(gòu)的功能框圖。

交錯(cuò)式PFC有兩種具體實(shí)現(xiàn)方案：一為主/從(Master/Slave)方案，一為獨(dú)立相位(Independent Phases)方案。主/從方案指主分支自由工作，而從分支相對(duì)于主分支180°相移工作。主/從方案的主要挑戰(zhàn)在于保持在CrM工作模式(沒有CCM模式，沒有死區(qū))。
獨(dú)立相位方案指每個(gè)相位都恰當(dāng)?shù)毓ぷ髟贑rM或FCCrM模式，而兩個(gè)分支相互配合以設(shè)定180°相移。獨(dú)立相位方案的主要挑戰(zhàn)是保持準(zhǔn)確的相移。安森美半導(dǎo)體的雙NCP1601交錯(cuò)式PFC方案是一種獨(dú)特的FCCrM方案，適合輸入電壓范圍較寬的應(yīng)用。在這種方案中，2顆NCP1601驅(qū)動(dòng)2個(gè)獨(dú)立的PFC分支，這2個(gè)分支具有相同的導(dǎo)通時(shí)間因而具有相同的開關(guān)周期，它們同步但彼此獨(dú)立工作，從而保證DCM工作模式(零電流檢測(cè))，沒有CCM工作風(fēng)險(xiǎn)，且在滿載時(shí)兩個(gè)分支都進(jìn)入CrM工作模式。[!--empirenews.page--]

          
圖2：安森美半導(dǎo)體雙NCP1601交錯(cuò)式PFC方案在不同負(fù)載范圍下的能效。

對(duì)基于安森美半導(dǎo)體NCP1601交錯(cuò)式PFC方案的寬輸入范圍、300 W PFC預(yù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行的測(cè)試顯示，這解決方案在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)(從20%到100%)、90 Vrms電壓條件下實(shí)現(xiàn)95%的能效，如圖2所示。

無(wú)橋PFC的優(yōu)勢(shì)及解決方案
傳統(tǒng)有源PFC中，交流輸入經(jīng)過(guò)EMI濾波后會(huì)經(jīng)過(guò)二極管橋整流器，但在整流過(guò)程中存在功率耗散，其中既包括前端整流橋中兩個(gè)二極管導(dǎo)通壓降帶來(lái)的損耗，也包括升壓轉(zhuǎn)換器中功率開關(guān)管或續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗。據(jù)測(cè)算，在低壓市電應(yīng)用(@90 Vrms)中，二極管橋會(huì)浪費(fèi)大約2%的能效。有鑒于此，近年來(lái)業(yè)界提出了無(wú)橋PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)際上，如果去掉二極管整流橋，由此帶來(lái)的能效提升效果很明顯。這種PFC電路采用1只電感、兩只功率MOSFET和兩只快恢復(fù)二極管組成。

對(duì)于工頻交流輸入的正負(fù)半周期而言，這種無(wú)橋升壓電路可以等效為兩個(gè)電源電壓相反的升壓電路的組合。其中左邊的藍(lán)色方框是PH1為高電平、MOSFET開關(guān)管M2關(guān)閉時(shí)的開關(guān)單元，右邊的橙色方框是PH2為高電平、MOSFET開關(guān)管M1關(guān)閉時(shí)的開關(guān)單元。當(dāng)PH1為高電平、PH2為低電平時(shí)，電路工作在正半周期，這時(shí)M2相當(dāng)于體二極管(body diode)，PH2通過(guò)M2接地；而當(dāng)PH1為低電平、PH2為高電平時(shí)，電路工作在負(fù)半周期，這時(shí)M1相當(dāng)于體二極管，PH1通過(guò)M1接地。

                 
                               圖3：傳統(tǒng)的無(wú)橋PFC結(jié)構(gòu)示意圖。

相對(duì)于傳統(tǒng)PFC段而言，這種無(wú)橋PFC節(jié)省了由二極管整流橋?qū)е碌膿p耗，但不工作MOSFET的體二極管傳遞線圈電流。最終，這種結(jié)構(gòu)消除了線路電流通道中一個(gè)二極管的壓降，提升了能效。但實(shí)際上，這種架構(gòu)也存在幾處不便，因?yàn)榻涣骶€路電壓不像傳統(tǒng)PFC那樣對(duì)地參考，而是相對(duì)于PFC段接地而浮動(dòng)，這就需要特定的PFC控制器來(lái)感測(cè)交流輸入電壓，而這種結(jié)構(gòu)中的簡(jiǎn)單電路并不能完成這項(xiàng)任務(wù)。這種架構(gòu)也不能方便地監(jiān)測(cè)線圈電流。 此外，EMI濾波也是一個(gè)主要問題。

圖4是Ivo Barbi無(wú)橋升壓PFC架構(gòu)的新穎解決方案，這種方案中沒有全橋，相反，PFC電路的地通過(guò)二極管D1和D2連接至交流線路，且每個(gè)端子用于1個(gè)PFC段。故這種解決方案可視作2相PFC，其中2個(gè)分支并聯(lián)工作。這種架構(gòu)也省下了電流通道中的一個(gè)二極管，并因此提升了能效。這種2相式架構(gòu)并不需要特定的PFC控制器，具有增強(qiáng)的熱性能，且負(fù)相總是接地，解決了EMI問題。

               
                          圖4：改進(jìn)的Ivo Barbi無(wú)橋升壓PFC架構(gòu)

安森美半導(dǎo)體基于這種架構(gòu)開發(fā)了800 W PFC段的原型。這原型采用NCP1653 PFC控制器及MC33152 MOSFET驅(qū)動(dòng)器。經(jīng)測(cè)試，這原型在90 Vrms、滿載、無(wú)風(fēng)扇(機(jī)箱打開，室 溫)條件下的能效達(dá)94%，而在100 Vrms時(shí)達(dá)95%。在20%負(fù)載時(shí)能效更接近或超過(guò)96%。這種無(wú)橋PFC架構(gòu)將是適合大功率應(yīng)用的一種高能效解決方案。

總結(jié)：
交錯(cuò)式PFC和無(wú)橋PFC等新穎拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的先進(jìn)PFC技術(shù)可用于滿足功率大于75 W電源的新趨勢(shì)，有利于設(shè)計(jì)厚度低至10 mm以下的超薄型液晶電視，及滿足80 PLUS等能效標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高的要求。安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅解決方案供應(yīng)商，提供基于NCP1601的交錯(cuò)式PFC和基于NCP1653的無(wú)橋PFC等創(chuàng)新解決方案，具有小外形因數(shù)，適用于緊湊型設(shè)計(jì)，并減少PFC段的功率損耗，提供極高的能效，符合嚴(yán)苛的能效標(biāo)準(zhǔn)要求，幫助客戶在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)先機(jī)。