独家：最新PFC技术以及解决方案

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电源网讯  功率因数校正(PFC)是电源设计人员面临的重要任务。根据IEC61000-3-2 谐波标准中的D类规定，功率在75 W 以上的个人计算机和电视机等电子系统的电源要进行功率因数校正。

 根据输入电流控制原理的不同，PFC 可以分为不同的类型，如临界导电模式(CrM)、不连续导电模式(DCM)、连续导电模式(CCM)和频率钳位临界导电模式(FCCrM)等。CrM 的的主要特征是电流有效值(RMS)大，开关频率不固定，常用于需要简单控制方案的照明和交流适配器等低功率应用，典型解决方案如安森美半导体NCP1606；DCM 的主要特征是电流有效值最高，线圈电感较低及稳定性最佳，常见于中低功率应用；CCM 的主要特征是总是硬开关，电感值最大，电流有效值最小，在较高功率(>300 W)应用中特别受到青睐，典型解决方案如安森美半导体NCP1654；FCCrM 的主要特征是电流有效值大，频率被限制，线圈电感较小，在中等功率条件下具有极高能效，典型解决方案如安森美半导体NCP1605。值得一提的是，FCCrM 可以视作带有频率钳位功能(由振荡器设定)的临界导电模式，综合了CrM 和DCM 的优点：DCM 限制最大开关频率，而CrM 降低最大电流应力。总的来看，FCCrM 解决方案似乎拥有最高的能效。新的应用需求为PFC提出更高要求一些新的应用需求推动着业界开发新的PFC 技术。这其中颇为受人瞩目的就是新兴的能效标准要求计算机ATX 电源具有越来越高的能效。例如，80 PLUS 银级标准(等同于“能源之星”5.0 版计算机电源标准及CSCI 标准第三阶段目标)要求，到2010 年6 月，多路输出ATX电源在20%、50%和100%负载条件的能效分别达到85%、88%和85%，详见表1 所示。

表1：80 PLUS 等能效标准对多路输出ATX 电源的能效要求

要提高ATX 电源能效，以满足最新能效标准的更高要求，重要的是以系统性的途径来分析功率损耗来源，并针对性地降低功率损耗。通常而言，我们可以将ATX 电源分为PFC 段、主开关电源段和次转换器段。以常见的75%能效ATX 电源为例，据测算，PFC 段的损耗要占总损耗的40%。

因此，将PFC 段的能效提至最高，有利于实现更高的系统总能效。这就需要优化PFC 控制器及其工作模式与其它元器件的选择。此外，液晶电视市场近年来高速发展，而纤薄型设计则为液晶电视提供特别的卖点，受到消费者的青睐。最新的液晶电视设计更是趋向于将厚度降至10 mm 以下，这就使元器件高度受到严格限制，设计人员必须尽可能采用更小型的元器件，并降低安装高度。PFC 段同样

受到这方面的制约，值得一提的是，缩小PFC 段元器件能够帮助系统降低高度。在这些背景下，一些新的PFC 拓扑结构已经开始涌现和应用。其中尤以交错式PFC 和无桥PFC 为典型。我们将探讨这两种新PFC 拓扑结构的特征、解决方案及性能测试结果。

交错式PFC的优势及解决方案

交错式PFC的主要想法是在原本放置单个较大功率PFC的地方并行放置两个功率为一半的较小功率的PFC，参见图1。这两个较小功率PFC 以180°的相移交替工作，它们在输入端或输出端累加时，每相电流纹波的主要部分将抵消。虽然交错式PFC 使用较多的元器件，但其好处也很明显，如150 W 的PFC 就比300W 的PFC 更易于设计，便于采用模块化的方案，且两个DCM PFC 就像一个CCM PFC 转换器，这就简化电磁干扰(EMI)滤波，并减小输入电流有效值。特别是采用两个较小PFC 的设计能够支持厚度低至10 mm 的超薄型液晶电视设计，且能效极高。

图1：采用两颗NCP1601 PFC 控制器实现的交错式PFC 架构的功能框图。

交错式PFC 有两种具体实现方案：一为主/从(Master/Slave)方案，一为独立相位(Independent Phases)方案。主/从方案指主分支自由工作，而从分支相对于主分支180°相移工作。主/从方案的主要挑战在于保持在CrM 工作模式(没有CCM 模式，没有死区)。独立相位方案指每个相位都恰当地工作在CrM 或FCCrM 模式，而两个分支相互配合以设定180°相移。独立相位方案的主要挑战是保持准确的相移。安森美半导体的双NCP1601交错式PFC 方案是一种独特的
FCCrM 方案，适合输入电压范围较宽的应用。在这种方案中，2 颗NCP1601 驱动2 个独立的PFC 分支，这2 个分支具有相同的导通时间因而具有相同的开关周期，它们同步但彼此独立工作，从而保证DCM 工作模式(零电流检测)，没有CCM 工作风险，且在满载时两个分支都进入CrM 工作模式。

双NCP1601 交错式PFC 方案在不同负载范围下的能效。

对基于安森美半导体NCP1601 交错式PFC 方案的宽输入范围、300 W PFC 预转换器进行的测试显示，这解决方案在很宽的负载范围内(从20%到100%)、90 Vrms 电压条件下实现95%的能效.无桥PFC的优势及解决方案

传统有源PFC 中，交流输入经过EMI 滤波后会经过二极管桥整流器，但在整流过程中存在功率耗散，其中既包括前端整流桥中两个二极管导通压降带来的损耗，也包括升压转换器中功率开关管或续流二极管的导通损耗。据测算，在低压市电应用(@90 Vrms)中，二极管桥会浪费大约2%的能效。有鉴于此，近年来业界提出了无桥PFC 拓扑结构。实际上，如果去掉二极管整流桥，由此带来的能效提升效果很明显。这种PFC 电路采用1 只电感、两只功率MOSFET 和两只快恢复二极管组成。对于工频交流输入的正负半周期而言，这种无桥升压电路可以等效为两个电源电压相反的升压电路的组合。其中左边的蓝色方框是PH1 为高电平、MOSFET 开关管M2 关闭时的开关单元，右边的橙色方框是PH2 为高电平、MOSFET 开关管M1 关闭时的开关单元。当PH1 为高电平、PH2 为低电平时，电路工作在正半周期，这时M2 相当于体二极管(body diode)，PH2 通过M2 接地；而当PH1 为低电平、PH2 为高电平时，电路工作在负半周期，这时M1 相当于体二极管，PH1 通过M1 接地。

图3：传统的无桥PFC 结构示意图。

相对于传统PFC段而言，这种无桥PFC节省了由二极管整流桥导致的损耗，但不工作MOSFET的体二极管传递线圈电流。最终，这种结构消除了线路电流通道中一个二极管的压降，提升了能效。但实际上，这种架构也存在几处不便，因为交流线路电压不像传统PFC那样对地参考，而是相对于PFC段接地而浮动，这就需要特定的PFC控制器来感测交流输入电压，而这种结构中的简单电路并不能完成这项任务。这种架构也不能方便地监测线圈电流。此外，EMI滤波也是一个主要问题。

 图 4 是Ivo Barbi 无桥升压PFC 架构的新颖解决方案，这种方案中没有全桥，相反，PFC电路的地通过二极管D1 和D2 连接至交流线路，且每个端子用于1 个PFC 段。故这种解决方案可视作2 相PFC，其中2 个分支并联工作。这种架构也省下了电流通道中的一个二极管，并因此提升了能效。这种2 相式架构并不需要特定的PFC 控制器，具有增强的热性能，且负相总是接地，解决了EMI 问题。

总结：

交错式PFC 和无桥PFC 等新颖拓扑结构的先进PFC 技术可用于满足功率大于75 W 电源的新趋势，有利于设计厚度低至10 mm 以下的超薄型液晶电视，及满足80 PLUS 等能效标准越来越高的要求。安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅解决方案供应商，提供基于NCP1601 的交错式PFC 和基于NCP1653 的无桥PFC 等创新解决方案，具有小外形因数，适用于紧凑型设计，并减少PFC 段的功率损耗，提供极高的能效，符合严苛的能效标准要求，帮助客户在市场竞争中占据先机。(电源网原创转载请注明出处）

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