通過集成式解決方案進一步簡化PFC電路的設(shè)計

　　開關(guān)電源因具有良好的輸入電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率、高轉(zhuǎn)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。在最高至500 W的功率范圍內(nèi)，開關(guān)電源包括大批量不同功率的應(yīng)用，例如LED/LCD電視機、LED照明、PC以及其他IT設(shè)備。對于所有這些應(yīng)用來說，涵蓋系統(tǒng)功耗和環(huán)境影響的法規(guī)正在全球范圍內(nèi)變得越來越嚴(yán)格，特別是在效率和功率因數(shù)方面。遺憾的是，開關(guān)電源可從AC電源吸收高幅度窄脈沖，從而產(chǎn)生輸入線電流的多次諧波。電流脈沖的高諧波含量與電源的無功輸入同時存在，容易降低功率因數(shù)，并造成EMI問題和能源損耗。

　　功率因數(shù)

　　功率因數(shù)(PF)用于表示電子設(shè)備所吸收AC輸入電壓與電流之間的關(guān)系。當(dāng)輸入電壓和輸入電流完全一致時，設(shè)備的功率因數(shù)就為1。如上面所述的任何非線性特性會使功率因數(shù)降到1以下。這種情況不是理想的，因為這會造成能源浪費，并且在電能中存在噪聲污染，干擾到其他設(shè)備。功率因數(shù)校正(PFC)電路是開關(guān)電源中的一個重要元素，它們的作用是使電源的輸入端表現(xiàn)為供電系統(tǒng)的線性負(fù)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(chǔ)設(shè)施具有影響，政府機構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)廣泛適用于包括家用和商用應(yīng)用在內(nèi)的電子設(shè)備。

　　PFC可通過多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)，例如降壓、升壓、反激、cuk和sepic(單端初級電感轉(zhuǎn)換器)。升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因設(shè)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。通過采用升壓技術(shù)和多種控制策略，電源制造商近年在功率因數(shù)性能方面取得了重大改進。

　　HiperPFS的發(fā)展

　　2010年，Power Integrations推出了新的升壓式PFC IC - HiperPFS™⁽¹⁾ IC，該產(chǎn)品系列采用了獨特的控制策略，即恒定安秒導(dǎo)通時間控制和恒定伏秒關(guān)斷時間控制。單芯片解決方案在同一個封裝內(nèi)集成了控制電路和功率MOSFET開關(guān)，可提供集成的無損耗電流檢測和較低的外圍元件數(shù)。2013年，Power Integrations推出了第二代HiperPFS-2 IC⁽²⁾。HiperPFS-2 IC提供更高的集成度，PFC升壓二極管現(xiàn)在與非線性反饋放大器以及更先進的控制電路集成在一起。其結(jié)果是設(shè)計周期更快、BOM成本更低和PFC性能更高。

　　安秒與伏秒控制

　　HiperPFS-2 IC采用創(chuàng)新的控制方法，通過改變功率開關(guān)的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間可使輸入電流波形與輸入電壓波形的形狀保持相似。這種控制可產(chǎn)生一個連續(xù)模式功率開關(guān)電流波形：在整個AC輸入半周期內(nèi)同時改變頻率和峰值電流值，產(chǎn)生與輸入電壓成正比的輸入電流。更確切的說，該控制技術(shù)可為關(guān)斷時間設(shè)置恒定的伏秒數(shù)。對關(guān)斷時間進行控制可使其滿足：

　　(V_OUT - V_IN)x t_OFF = K₁       (1)

　　由于導(dǎo)通時間內(nèi)的伏秒數(shù)必須等于關(guān)斷時間的伏秒數(shù)，以維持PFC扼流圈內(nèi)的磁通量平衡，因此對導(dǎo)通時間進行控制可使：

　　V_IN x t_ON = K₁       (2)

　　控制器還可以在功率MOSFET的每個導(dǎo)通周期內(nèi)設(shè)置恒定的電荷值。每周期電荷隨著負(fù)載變化在許多開關(guān)周期內(nèi)逐漸發(fā)生變化，因此可認(rèn)為它在半個AC輸入半周期內(nèi)大體上保持恒定。由于采用這種恒定電荷(安秒)控制，因此可得出以下關(guān)系式：

　　I_IN x t_ON = K₂ (3)

　　將t_ON從(2)代入(3)可得出：

　　I_IN = V_IN x K₂/K₁ (4)

　　公式(4)所表示的關(guān)系表明，通過控制恒定的安秒導(dǎo)通時間和恒定的伏秒關(guān)斷時間，輸入電流IIN與輸入電壓VIN可成正比，從而提供基本的功率因數(shù)校正要求。

　　變頻連續(xù)導(dǎo)通模式(VF-CCM)

　　圖1中的曲線圖描繪了頻率隨輸入線電壓和輸出負(fù)載的變化情況。當(dāng)線電壓升高時，PFC電感的電壓差會減小，關(guān)斷時間積分器需要更長的時間才能達(dá)到VOFF閾值。當(dāng)輸入電壓降低時，關(guān)斷時間積分器在較短時間內(nèi)即可滿足伏秒平衡。

　　開關(guān)導(dǎo)通時間隨負(fù)載而變。當(dāng)這負(fù)載增大時，PFC開關(guān)電流隨之增大以滿足負(fù)載要求。當(dāng)開關(guān)電流減小時，導(dǎo)通時間積分器在較短時間內(nèi)即可滿足安秒平衡，開關(guān)頻率隨之升高。

　　VF-CCM控制的可變開關(guān)特性通過在轉(zhuǎn)換器的整個負(fù)載范圍內(nèi)維持較低的平均開關(guān)頻率并提升效率水平，可達(dá)到降低開關(guān)損耗的目的。

　　在輕載下，關(guān)斷時間積分器的控制電壓參考(V_OFF)由內(nèi)部誤差信號(V_E)進行修改，該電壓與輸出功率直接成正比。修改后的V_OFF斜率可進一步降低平均頻率，從而降低開關(guān)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(guān)頻率會在每個周期造成固定的開關(guān)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2所示。