PFC在電源設(shè)計(jì)中的作用

數(shù)字控制PFC

用于電源的低成本、高性能數(shù)字控制器的出現(xiàn)使得這類控制器開始應(yīng)用于PFC設(shè)計(jì)。數(shù)字控制器可提供可編程配置、非線性控制、低器件數(shù)和實(shí)現(xiàn)通常使用模擬方法很難實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜功能的能力。

如今的大多數(shù)數(shù)字功率控制器(比如TI的UCD3020)都具有集成式功率控制外設(shè)和功率管理內(nèi)核，包括數(shù)字環(huán)路補(bǔ)償器、快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、帶內(nèi)置死區(qū)時(shí)間的高分辨率數(shù)字脈寬調(diào)制器(DPWM)、低功耗微控制器等。這些控制器支持無橋PFC等復(fù)雜的高性能電源設(shè)計(jì)。

例如，無橋PFC可以整合兩個(gè)直流-直流升壓電路：L1、D1、S1和L2、D2、S2(圖11)。D3和D4是慢速恢復(fù)二極管。單獨(dú)感測(cè)以內(nèi)部電源地為基準(zhǔn)的線路和中性點(diǎn)電壓可實(shí)現(xiàn)輸入交流電壓的測(cè)量。通過比較感測(cè)的線路和中性信號(hào)，固件可以判斷是正半周期還是負(fù)半周期。在正半周期時(shí)，第一個(gè)直流-直流升壓電路(L1-S1-D1)是有源電路，升壓電流通過D4返回至交流中性線。在負(fù)半周期時(shí)，L2-S2-D2為有源電路，升壓電路通過D3返回至交流電源線。

與采用相同的功率器件的傳統(tǒng)單相PFC相比，無橋PFC和單相PFC應(yīng)具有相同的開關(guān)損耗。不過，無橋PFC電流僅通過一個(gè)慢速二極管(正半周期時(shí)為D4，負(fù)半周期時(shí)為D3)，而不是同時(shí)通過兩個(gè)二級(jí)管。因此，效率的提升依靠的是一個(gè)二極管與兩個(gè)二極管之間的傳導(dǎo)損耗之差。

無橋PFC的效率還可以通過全面導(dǎo)通不活動(dòng)的開關(guān)來提升。比如，在正周期時(shí)，S2可以全面導(dǎo)通，而S1由PWM信號(hào)控制。由于在流動(dòng)的電流低于某個(gè)值時(shí)MOSFET S2上的電壓降可能低于D4，返回電流會(huì)部分或全部流過L1-D1-RL-S2-L2，然后返回至交流電源。這就降低了傳導(dǎo)損耗，從而提高了電路效率(特別是在輕負(fù)載下的電路效率)。同樣，在負(fù)周期時(shí)，S1全面導(dǎo)通，而S2則進(jìn)行開關(guān)控制。

在相同的交流電壓和直流輸出電壓下，輸出電流與電壓回路輸出成正比。在此基礎(chǔ)上，頻率和輸出電壓可以進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。固件實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器中的電壓回路。由于輸出已知，因此很容易就能以低于模擬方法的成本實(shí)現(xiàn)該功能。

更多的數(shù)字PFC控制器

ADI公司最近發(fā)布了ADP1047和ADP1048數(shù)字PFC控制器，這兩款控制器還可以提供輸入電能計(jì)量和浪涌電流控制。ADP1047用于單相PFC應(yīng)用，而ADP1048則針對(duì)交錯(cuò)式和無橋PFC應(yīng)用。

數(shù)字PFC功能基于傳統(tǒng)的升壓電路來為AC-DC系統(tǒng)提供最佳的諧波校正和功率因數(shù)。所有的信號(hào)都被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而最大限度地提高靈活性；關(guān)鍵參數(shù)可以通過PMBus接口進(jìn)行報(bào)告和調(diào)整。

總的來說，ADP1047和ADP1048的配置可以幫助設(shè)計(jì)工程師優(yōu)化系統(tǒng)性能，最大限度地提高負(fù)載范圍的效率。這兩款I(lǐng)C可以精確地測(cè)量RMS輸入電壓、電流和功率。然后該數(shù)據(jù)可以通過PMBus接口報(bào)告給電源的微控制器。

ADP1048的無橋升壓配置可以消除PFC轉(zhuǎn)換器的橋式輸入引起的傳導(dǎo)損耗(圖12)。在這種配置中，兩個(gè)功率MOSFET必須單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)最高效率。從ADP1048發(fā)出的信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。IBAL引腳可以檢測(cè)出交流線路相位和零交叉點(diǎn)。IBAL引腳的最高額定電壓為VDD + 0.3 V，因此該引腳需要采用合適的箝位電路進(jìn)行保護(hù)。

在正交流電源線相位時(shí)，只有一個(gè)升壓級(jí)在有效工作。第二個(gè)級(jí)為無源級(jí)；Q2中的電流從源極流至漏極。在此相位時(shí)將Q2 FET全面導(dǎo)通可以最大限度地降低Q2的傳導(dǎo)損耗。當(dāng)交流線路相位變?yōu)樨?fù)時(shí)，Q1和Q2的角色則出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，Q2進(jìn)行有源開關(guān)，而Q1則始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。相位信息通過IBAL引腳從交流線路中檢測(cè)。在軟啟動(dòng)階段，兩個(gè)FET都作為預(yù)防措施進(jìn)行開關(guān)操作。當(dāng)IBAL引腳上的相位信息損壞或者不準(zhǔn)確時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這樣的情況。