創(chuàng)新、簡單而又高效節(jié)能的PFC解決方案

簡介

開關電源因具有良好的輸入電壓調整率和負載調整率、高轉換效率以及體積小巧等優(yōu)勢，如今幾乎為所有電子系統(tǒng)采用。不過，由于開關電源屬于非線性元件，因此可產生與輸入電壓異相的高幅度窄脈沖。電流脈沖的高諧波含量與電源的無功輸入同時存在，容易降低AC電源的供電效能，從而造成EMI問題和能源損耗。

輸入電壓與輸入電流之間的關系用功率因數(shù)(PF)表示。在生成非線性負載電流的系統(tǒng)中，采用功率因數(shù)校正(PFC)電路可使電源的輸入端表現(xiàn)為供電系統(tǒng)的線性負載。有效的PFC電路可同時降低峰值電流和RMS電流，并優(yōu)化AC電源的供電效率。

由于功率因數(shù)對供電基礎設施具有影響，政府機構已出臺并逐步提高對功率因數(shù)(PF)和諧波失真的要求。IEC/EN61000-3-2的PF標準廣泛適用于包括家用和商用應用在內的電子設備。

PFC可通過多種拓撲結構實現(xiàn)，例如降壓、升壓、反激、?uk和單端初級電感轉換器(SEPIC).升壓拓撲結構因設計簡單而廣為使用，連續(xù)的輸入電感電流使其非常適用于PFC電路。到如今，電源IC制造商已推出了眾多控制策略，其中包括峰值、平均和遲滯連續(xù)導通電流(CCM)模式控制，以及臨界導通模式(CRM)和非連續(xù)導通模式(DCM)。近些年來，PFC IC已使電源制造商在PF性能方面取得了重大改進，但仍存在與某些實現(xiàn)的復雜度相關的可靠性問題。

HiperPFS的主要特色

HiperPFS?是Power Integrations新推出的一款PFC IC，它的最大不同之處在于采用了獨特的控制策略，即恒定安秒導通時間控制和恒定伏秒關斷時間控制。單芯片解決方案可提供集成式無損耗電流檢測，省去電流控制環(huán)路外部補償元件，從而降低設計復雜度。創(chuàng)新的變頻連續(xù)導通模式(VF-CCM)控制可通過在低平均開關頻率下工作，達到抑制EMI和降低開關損耗的目的。

安秒與伏秒控制

HiperPFS的核心是恒定安秒導通時間與恒定伏秒關斷時間控制算法。圖1以一個升壓PFC為例來說明其控制機制。對開關電流進行積分和控制，使其在開關導通期間具有恒定的安秒乘積，從而使平均輸入電流波形跟隨輸入電壓波形。對輸出與輸入電壓之間的差值進行積分可維持恒定的伏秒平衡（由升壓電感的電磁特性決定），從而實現(xiàn)對輸出電壓及功率的調整。

 
圖 2.恒定安秒與伏秒控制原理圖

在功率MOSFET的每個導通周期內，控制器對開關電流的積分設定一個恒定值。由于升壓轉換器輸出電壓控制環(huán)路的帶寬非常低（實際上，遠低于120 Hz半線周期頻率），可以將每周期的積分電流視為恒定。為調整輸出電壓，控制電壓VC會隨著負載或線電壓的變化在許多周期內進行穩(wěn)定變化。通過這種恒定安秒控制，我們可以首先假設：

    (1)

為實現(xiàn)關斷時間控制，采用與輸出輸入電壓差成正比的電流源。對電流進行積分并與固定電壓參考(VOFF)相比較以確定周期關斷時間。關斷時間(tOFF)的伏秒數(shù)可表示如下：

  (2)

由于導通時間內的伏秒數(shù)必須等于關斷時間的伏秒數(shù)，以維持PFC電感內的磁通量平衡，因此對導通時間(tON)進行控制可使：

  (3)

將tON從(3)代入(1)可得出：

  (4)

公式(4)所表示的關系表明，通過控制恒定的安秒導通時間和恒定的伏秒關斷時間，輸入電流iin與輸入電壓Vin可成正比，從而以非常簡單的控制電路提供基本的功率因數(shù)校正。

變頻連續(xù)導通模式(VF-CCM)

圖2中的曲線圖描繪了頻率隨輸入線電壓和輸出負載的變化情況。當線電壓升高時，PFC電感的電壓差會減小，關斷時間積分器需要更長的時間才能達到VOFF閾值。當輸入電壓降低時，關斷時間積分器在較短時間內即可滿足伏秒平衡。

開關導通時間隨負載而變。當這負載增大時，PFC開關電流隨之增大以滿足負載要求。當開關電流減小時，導通時間積分器在較短時間內即可滿足安秒平衡，開關頻率隨之升高。

  
圖 2. 頻率隨負載和輸入電壓的變化

VF-CCM控制的可變開關特性通過在轉換器的整個負載范圍內維持較低的平均開關頻率并提升效率水平，可達到降低開關損耗的目的。

在輕載下，關斷時間積分器的控制電壓參考(VOFF)由內部誤差信號(VE)進行修改，該電壓與輸出功率直接成正比。修改后的VOFF斜率可進一步降低平均頻率，從而降低開關損耗。在輕載條件下實現(xiàn)高效率，對傳統(tǒng)的PFC CCM方法來說是一項挑戰(zhàn)，因為固定的MOSFET開關頻率會在每個周期造成固定的開關損耗，即使在輕載條件下也是如此。固定頻率CCM控制方法如圖3所示。

 
圖 3. 固定開關頻率的傳統(tǒng)CCM控制方法 – 輸入電流

如果采用固定頻率CCM設計，次諧波噪聲會集中在一些固定頻率上，為EMI噪聲濾波帶來挑戰(zhàn)。在變頻控制中，開關脈沖所傳遞的能量會分散在半AC線周期內的一系列頻率中。這意味著，HiperPFS通常能降低轉換器的總X和Y電容要求以及升壓扼流圈和EMI噪聲抑制扼流圈的電感，從而降低整體系統(tǒng)尺寸和成本。

PFC設計的簡化 

圖4所示為一個典型的基于HiperPFS的PFC應用電路。VF-CCM控制已省去了外部補償網(wǎng)絡的使用，能提供非常簡單的解決方案。

 
圖 4. 典型的HiperPFS應用電路圖

電壓監(jiān)測引腳(V)電流用于在內部檢測輸入線電壓的峰值。這對線電壓前饋功能具有驅動作用，以便在整個輸入線電壓范圍內維持恒定的電壓反饋環(huán)路增益，從而改善線電壓調整率和瞬態(tài)響應。此外，HiperPFS還集成了其他先進功能，例如功率限值和電壓緩升/跌落保護。

作為對比，圖5所示為一個傳統(tǒng)CCM平均電流模式控制的電路設計。該設計需要一個電流放大器和一個補償網(wǎng)絡。電流檢測電阻的位置需要與電感電流串聯(lián)。除電阻會產生功率損耗外，噪聲敏感性問題也構成設計挑戰(zhàn)，特別是在電感的紋波電流較低時。

 
圖 5. 傳統(tǒng)的CCM平均電流模式控制的電路圖

VF-CCM控制與臨界導通模式(CRM)控制比較

CRM升壓功率因數(shù)轉換器在連續(xù)導通模式和非連續(xù)導通模式的交界處進行工作。通常情況下，開關導通時間是固定的，這通過比較電壓環(huán)路誤差放大器的輸出電壓和鋸齒參考波形來實現(xiàn)。當水平相匹配時，開關將關斷。當電感電流降至零時，開關將導通。當電感值固定時，輸入電流自動跟蹤輸入電壓，從而實現(xiàn)功率因數(shù)校正。電感電流如圖6所示。

 
圖 6. 臨界導通模式CCM控制方法 – 輸入電流

CRM控制具有一些與HiperPFS相同的優(yōu)勢，比如無需電流控制補償即可實現(xiàn)簡單設計和和可變開關頻率。續(xù)流二極管的選擇并不是關鍵，因為二極管在開關電流為零時會關斷。但是，仍存在以下明顯缺陷而不利于在較高功率PFC設計中使用CRM：

• CRM控制會在MOSFET和續(xù)流二極管中產生高峰值電流，因而需要器件具有更高電流額定值。
• MOSFET中的開關及導通功率損耗比較高。
• CRM控制要求使用更大的磁芯。因為它會生成更高的峰峰值電感電流，從而導致電感產生更高的遲滯損耗以及更高的銅損耗。
• CRM要么需要一個電流檢測電阻來檢測零電感電流，要么需要一個零電流檢測繞組來導通MOSFET。
• 與類似的VF-CCM設計相比，CRM控制所生成的峰值電流將近前者的兩倍。這會加重噪聲問題，從而增大EMI濾波元件的成本。
基于CRM的PFC IC在低功率PFC設計中已得到廣泛使用，因為它們比較簡單且允許使用并不昂貴的續(xù)流二極管。不過，HiperPFS則更為簡單，它具有許多設計優(yōu)勢，比如MOSFET的導通及開關損耗更低、二極管導通損耗更低、電感磁芯及銅損耗更低、負載范圍內的效率更高、EMI更低且EMI濾波器更小、元件數(shù)更少以及集成多項保護功能。由于具有軟恢復特性的超快速恢復整流管易于購得，HiperPFS VF-CCM模式控制可以為廣大的低功率、中等功率及高功率PFC應用提供理想的解決方案。

設計范例

一款347 W PFC前端轉換器（如圖7所示）已采用HiperPFS PFS714EG集成式PFC控制器設計而成，并配有全面的驗證報告(RDR-236)。這份示范性的設計范例適用于開發(fā)人員，可對新的原型設計提供參考。

 
圖 7.  347 W HiperPFS前端PFC轉換器

該設計從10%負載點到滿載均可提供95%以上的效率（參見圖8）。高效率可以使設計滿足80+ PC規(guī)范要求。
 

圖 8. 效率隨輸出功率的變化

該電源在115 VAC輸入滿載條件下的功率因數(shù)高達0.998，在230 VAC輸入滿載條件下的功率因數(shù)可達0.984（參見圖9）。它可以輕松滿足EN61000-3-2 Class C和D對低諧波輸入電流元件的要求（參見圖10）。

結論

HiperPFS所引入的創(chuàng)新型恒定安秒和伏秒控制概念為升壓PFC轉換器帶來了全新的高性能PFC解決方案。與傳統(tǒng)的CCM和CRM控制方法相比，HiperPFS可以憑借簡單、可靠、低元件數(shù)及低成本的解決方案為電源設計師提供更佳的選擇。

參考文獻

1. Power Integrations PFS704-729EG HiperPFS Family Datasheet
2. Power Integrations Application Note AN-52, Application Note AN-53
3. Reference Design Report (RDR-236) for a High Performance 347 W PFC Stage Using HiperPFS PFS714EG
4. L. Rossetto, G. Spiazzi, P. Tenti “Control Techniques for Power Factor Correction Converters”
5. Lloyd H. Dixon, Jr. “High Power Preregulators for Off-Line Power Supplies” TI-Unitrode slup087. 

關于作者

Edward Ong是Power Integrations (PI)節(jié)能器件領域的產品營銷經(jīng)理。在加盟PI之前，Edward曾分別擔任Emerson Network Power的項目經(jīng)理和產品營銷經(jīng)理，以及ROHM Corporation的研發(fā)經(jīng)理。他擁有Ateneo De Manila University工商管理碩士(M.B.A.)學位、De La Salle University電子工程碩士(M.S.E.E.)學位以及Mapua Institute of Technology電機工程學士(B.S.E.E.)學位。