在電源設(shè)計(jì)中加入PFC

圖2在電源設(shè)計(jì)中加入PFC圖i這意味著，對(duì)于效率最高的無(wú)失真電源線(xiàn)操作來(lái)講，所有的負(fù)載都應(yīng)作為有效電阻(R),圖2在電源設(shè)計(jì)中加入PFC圖i這意味著，對(duì)于效率最高的無(wú)失真電源線(xiàn)操作來(lái)講，所有的負(fù)載都應(yīng)作為有效電阻(R),而消耗和提供的功率是RMS線(xiàn)路電壓和線(xiàn)路電流的乘積。不過(guò)，許多電子系統(tǒng)的負(fù)載都需要交流到直流的轉(zhuǎn)換。在這種情況下，典型電源的電源線(xiàn)上的負(fù)載由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電容的橋式二極管組成(圖2)。它是電源線(xiàn)的非線(xiàn)性負(fù)載，因?yàn)榇藰蚴秸髌鞯膬蓚€(gè)二極管都位于輸入交流電源線(xiàn)電壓的正半周期或負(fù)半周期的直接電源通路中。此非線(xiàn)性負(fù)載僅在正弦電源線(xiàn)電壓的峰值期間汲取電源線(xiàn)電流，這樣會(huì)產(chǎn)生多峰輸入電源線(xiàn)電流，從而引起電源線(xiàn)諧波(圖3)。在2005年最新的IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)生效以前，大多數(shù)PC、顯示器和電視機(jī)的電源在采用110至120V，60Hz的單相交流電供電時(shí)都會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的電源線(xiàn)諧波。在這個(gè)更新更嚴(yán)格的IEC標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)下，電源廠(chǎng)商開(kāi)始通過(guò)增加功率因數(shù)校正(PFC)來(lái)最大限度地減少電源線(xiàn)諧波。為了解IEC61000-3-2的影響，最好先了解一下直接穿過(guò)電源線(xiàn)放置負(fù)載電阻(R)的理想情況(圖1)。在這種情況下，正弦線(xiàn)路電流IAC與線(xiàn)路電壓VAC成正比，且與該電壓同相。因此：…呈⑴Harmonicnumber(f=fundamental)圖3Harmonicnumber(f=fundamental)圖3非線(xiàn)性負(fù)載可使諧波大小與線(xiàn)路頻率下的基本諧波電流具有可比性。圖4顯示了相對(duì)于線(xiàn)路頻率下的基本諧波大小進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的高階諧波電流大小。不過(guò)，只有圖1中給出的在與線(xiàn)路頻率相同的頻率下且與電源線(xiàn)電壓同相的諧波電流（在此案例中為線(xiàn)路頻率下的基本諧波）對(duì)提供給負(fù)載的平均功率起作用。這些諧波電流會(huì)影響同一電力線(xiàn)上的其他設(shè)備的工作情況。圖4電源線(xiàn)諧波的大小取決于電源的功率因數(shù)，功率因數(shù)的變化范圍為0至1。功率因數(shù)值越低，產(chǎn)生的諧波更大，功率因數(shù)值越高，產(chǎn)生的諧波越小。功率因數(shù)（PF）的定義如下：PF=j一（2）IfiMSVRMS其中，P=實(shí)際功率（單位：瓦特）；IRMS=RMS線(xiàn)路電流；VRMS=RMS線(xiàn)路電壓;VRMS*IRMS=視在功率（單位：伏特-安培/VA）。PF還等于線(xiàn)路電流與電壓之間的相角（的勺余弦值；從這個(gè)角度來(lái)講，式2可以重新寫(xiě)成以下形式：P=IIrMSX ⑶C 的值是0至1之間的數(shù)字。如果=0,貝I <1P=IRMS*VRMS，這與電阻負(fù)載的情況相同。當(dāng)PF為1時(shí)，負(fù)載消耗電源提供的所有能量。如果=90,則 ;因此負(fù)載收到的功率為零。提供功率的發(fā)電機(jī)必須提供IRMS*VRMS的功率（即使沒(méi)有功率用于做有用功）。因此，對(duì)于圖2中的二極管橋式電容器案例，式2的PF定義中剩下的唯一一個(gè)變量就是線(xiàn)路電流IRMS,因?yàn)榫€(xiàn)路電壓?區(qū)乂5）已通過(guò)電源線(xiàn)發(fā)電機(jī)固定至120V。電源線(xiàn)為提供給負(fù)載的給定平均功率而汲取的IRMS越高，功率因數(shù)（PF）就越低。圖2中的AC-DC轉(zhuǎn)換器采用120V的交流電源線(xiàn)電壓供電，并向負(fù)載提供600W的功率，同時(shí)汲取10A的線(xiàn)路電流，該轉(zhuǎn)換器的PF=0.5。不過(guò)，圖1中PF為1的電阻負(fù)載僅從電源線(xiàn)中汲取5A的電流（該負(fù)載從120V交流電源線(xiàn)中汲取600W的功率）。電力公司會(huì)因低PF負(fù)載而遭受損失，這是因?yàn)殡娏颈仨毺峁└叩陌l(fā)電能力，從而滿(mǎn)足由于負(fù)載的低PF而產(chǎn)生的更大的線(xiàn)路電流的要求。不過(guò)電力公司只會(huì)按提供的平均功率（單位為瓦特）向用戶(hù)收費(fèi)而不是按產(chǎn)生的伏安收費(fèi)。伏安與瓦特之間的這種差別要么以發(fā)熱的形式出現(xiàn)，要么反過(guò)來(lái)體現(xiàn)到交流電源線(xiàn)上。校正這種情況的最常見(jiàn)方法是采用功率因數(shù)校正。功率因數(shù)校正IEC-61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)定義了給定功率級(jí)別允許的最大諧波電流。該標(biāo)準(zhǔn)1995年和2001年的初始版本已被2005年的版本3更新（請(qǐng)參見(jiàn)表）。2005年版本3對(duì)每相耗費(fèi)的功率在75至600W之間，耗費(fèi)的電流6的（D類(lèi)）PC、顯示器和電視機(jī)的電源線(xiàn)諧波電流提出了更加嚴(yán)格的要求。為滿(mǎn)足這些要求，設(shè)計(jì)工程師必須在D類(lèi)電源中采用有源功率因數(shù)校正（PFC）。許多PFC電路都采用升壓轉(zhuǎn)換器。傳統(tǒng)的PFC升壓轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)限制因素是它只能由整流后的交流電源線(xiàn)供電，而這種電源線(xiàn)涉及兩級(jí)功率處理（圖5）。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的波形更好地說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題（圖6）。此外，無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單有效的方法在傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器中引入隔離。采用升壓轉(zhuǎn)換器的全橋擴(kuò)展（然后作為PFC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制）是一種引入隔離的方法（圖7）。不過(guò)，這種方法需要在初級(jí)增加四個(gè)晶體管，在次級(jí)增加四個(gè)二極管整流器（晶體管和整流器均在100kHz的開(kāi)關(guān)頻率下工作），從而增加了復(fù)雜性。此外，四個(gè)增加的二極管位于以50/60HZ的線(xiàn)路頻率工作的輸入橋式整流器中。圖7：作為PFC控制器控制的升壓轉(zhuǎn)換器的全橋擴(kuò)展可以提供隔離。除了低頻正弦電流之外，線(xiàn)路電流還將在高開(kāi)關(guān)頻率下疊加輸入電感紋波電流，這需要通過(guò)交流電源線(xiàn)上的一個(gè)額外的高頻濾波器進(jìn)行濾波。由于增加了12個(gè)在硬開(kāi)關(guān)模式下工作的開(kāi)關(guān)，因此造成了較高的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗。據(jù)報(bào)道，這種兩級(jí)方法及輔助開(kāi)關(guān)器件的最高效率為87%。由于升壓直流轉(zhuǎn)換增益的影響，這種方法還會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)問(wèn)題。它需要額外的電路對(duì)輸出電容進(jìn)行預(yù)充電，以便轉(zhuǎn)換器能夠啟動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)1kW或1kW以上的功率，設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常采用三級(jí)方法（圖8）。在圖8中，標(biāo)準(zhǔn)升壓PFC轉(zhuǎn)換器和隔離降壓轉(zhuǎn)換器位于輸入的橋式整流器之后。這總共需要14個(gè)開(kāi)關(guān)。其中至少六個(gè)開(kāi)關(guān)為高壓開(kāi)關(guān)，這樣就進(jìn)一步降低了效率，增加了成本。盡管如此，在使用最好開(kāi)關(guān)器件的情況下，最高效率能夠達(dá)到90%左右，該頻率仍比兩級(jí)方法的效率要高。

圖8：至少1kW的電源一般采用三級(jí)PFC轉(zhuǎn)換器。如要實(shí)現(xiàn)中低功率，則有一個(gè)替代方法，該方法通過(guò)采用前向轉(zhuǎn)換器作為隔離級(jí)來(lái)減少開(kāi)關(guān)數(shù)量（圖9）。在采用這個(gè)方法之前，必須注意這一點(diǎn)：雖然現(xiàn)在有10個(gè)開(kāi)關(guān)，但與全橋式方案相比，正向轉(zhuǎn)換器中的四個(gè)開(kāi)關(guān)器件向初級(jí)和次級(jí)開(kāi)關(guān)施加了更大的電壓應(yīng)力。此外，全橋式方案還需要四個(gè)磁性元器件。圖9：此PFC電路采用隔離正向轉(zhuǎn)換器，這是一種通常在中小功率應(yīng)用中保留的設(shè)置。無(wú)橋PFC轉(zhuǎn)換器Teslaco公司總裁SlobodanCuk博士開(kāi)辟了這個(gè)領(lǐng)域的新天地，他研發(fā)出一種直接由交流電源線(xiàn)供電的無(wú)橋PFC轉(zhuǎn)換器（正在申請(qǐng)專(zhuān)利）。該轉(zhuǎn)換器據(jù)稱(chēng)是首款真正的單級(jí)無(wú)橋AC-DCPFC轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)這一壯舉，Cuk采用了一種新的開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換方法，這種方法稱(chēng)為混合開(kāi)關(guān)（h-switching）。該方法采用僅包含三個(gè)開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌阂粋€(gè)可控開(kāi)關(guān)S和兩個(gè)無(wú)源整流器開(kāi)關(guān)（CR1和CR2）（圖10）。輸入交流電壓為正極或負(fù)極時(shí)，兩個(gè)整流器根據(jù)主開(kāi)關(guān)（S）的狀態(tài)作出相應(yīng)的導(dǎo)通和關(guān)斷操作。該拓?fù)溆梢粋€(gè)與輸入串聯(lián)的電感、浮動(dòng)的能量傳輸電容（作為開(kāi)關(guān)周期部件的諧振電容器）和一個(gè)諧振電感組成。由于基于PWM方波開(kāi)關(guān)的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器采用電感和電容器，因此它們需要互補(bǔ)的成對(duì)開(kāi)關(guān)。當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)就關(guān)斷，反之亦然。因此，只允許采用偶數(shù)個(gè)開(kāi)關(guān)，而新型混合開(kāi)關(guān)PFC轉(zhuǎn)換器可以采用奇數(shù)個(gè)（3個(gè)）開(kāi)關(guān)。在這種設(shè)置中，這樣的互補(bǔ)開(kāi)關(guān)是不存在的。一個(gè)有源開(kāi)關(guān)S單獨(dú)控制兩個(gè)二極管，其角色會(huì)根據(jù)交流輸入電壓的極性自動(dòng)發(fā)生變化。例如，交流輸入電壓為正極時(shí)，CR1在開(kāi)關(guān)S的導(dǎo)通間隔導(dǎo)電。而交流輸入電壓為負(fù)極時(shí)，CR1在開(kāi)關(guān)S的關(guān)斷間隔導(dǎo)電。此外，CR2還根據(jù)開(kāi)關(guān)S的狀態(tài)和輸入交流電壓極性自動(dòng)作出反應(yīng)。交流輸入電壓為正極時(shí)，CR2在開(kāi)關(guān)S的關(guān)斷間隔導(dǎo)電；交流輸入電壓為負(fù)極時(shí)，CR2在開(kāi)關(guān)S的導(dǎo)通間隔導(dǎo)電。因此，三個(gè)開(kāi)關(guān)可以在輸入交流線(xiàn)路電壓的正半周期和負(fù)半周期的整個(gè)周期內(nèi)工作。因此，這種真正的無(wú)橋PFC轉(zhuǎn)換器無(wú)需全橋式整流器也可以工作，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)換器拓?fù)鋵?shí)際上執(zhí)行了交流線(xiàn)路整流。最終在輸入交流線(xiàn)路電壓的正負(fù)半周期實(shí)現(xiàn)了同樣的直流輸出電壓。消除全橋式整流器相當(dāng)于直接消除了損耗（特別是對(duì)于85V的低電壓線(xiàn)路而言）。初級(jí)的有源開(kāi)關(guān)S在開(kāi)關(guān)頻率下調(diào)制和工作，該開(kāi)關(guān)頻率比線(xiàn)路頻率高三個(gè)數(shù)量級(jí)（比如，開(kāi)關(guān)頻率為50kHz時(shí)，交流線(xiàn)路頻率為50/60HZ）。占空比（D）可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間和所有的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)（比如，直流轉(zhuǎn)換率）來(lái)定義，電感L的直流電流根據(jù)D來(lái)表示。隨后，全波輸入線(xiàn)路電壓和輸入線(xiàn)路電流被感測(cè)后作為輸入發(fā)送至無(wú)橋PFCIC控制器?？刂破鲗?duì)初級(jí)的開(kāi)關(guān)S進(jìn)行調(diào)制，強(qiáng)制輸入線(xiàn)路電流與輸入線(xiàn)路電壓成正比，從而提供理想的整功率因數(shù)。該P(yáng)FC轉(zhuǎn)換器真正出眾的特性是流電隔離擴(kuò)展可以保持圖10中的三個(gè)開(kāi)關(guān)組成的轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單性。諧振電容器基本上分成了兩個(gè)串聯(lián)的電容器，隔離變壓器被插在它們分離的位置。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(lèi)控制器開(kāi)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(xiàn)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(wú)橋PFC等復(fù)雜的高性能電源設(shè)計(jì)。

例如，無(wú)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?xún)?nèi)部電源地為基準(zhǔn)的線(xiàn)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(guò)比較感測(cè)的線(xiàn)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)直流一直流升壓電路（L1-S1-D1）是有源電路，升壓電流通過(guò)D4返回至交流中性線(xiàn)。在負(fù)半周期時(shí)，L2-S2-D2為有源電路，升壓電路通過(guò)D3返回至交流電源線(xiàn)。圖11：數(shù)字控制的無(wú)橋PFC由兩相升壓電路組成，但是每次只有一個(gè)相位為有源相位。與采用相同的功率器件的傳統(tǒng)單相PFC相比，無(wú)橋PFC和單相PFC應(yīng)具有相同的開(kāi)關(guān)損耗。不過(guò)，無(wú)橋PFC電流僅通過(guò)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(guò)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(wú)橋PFC的效率還可以通過(guò)全面導(dǎo)通不活動(dòng)的開(kāi)關(guān)來(lái)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)MOSFETS2上的電壓降可能低于D4,返回電流會(huì)部分或全部流過(guò)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(kāi)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(wú)橋PFC應(yīng)用。數(shù)字PFC功能基于傳統(tǒng)的升壓電路來(lái)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(guò)PMBus接口進(jìn)行報(bào)告和調(diào)整?？偟膩?lái)說(shuō)，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(guò)PMBus接口報(bào)告給電源的微控制器。ADP1048的無(wú)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(xiàn)路相位和零交叉點(diǎn)。IBAL引腳的最高額定電壓為VDD