創(chuàng )新、簡(jiǎn)單而又高效節能的PFC解決方案

簡(jiǎn)介

開(kāi)關(guān)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采用。不過(guò)，由于開(kāi)關(guān)電源屬于非線(xiàn)性元件，因此可產(chǎn)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(wú)功輸入同時(shí)存在，容易降低AC電源的供電效能，從而造成EMI問(wèn)題和能源損耗。

輸入電壓與輸入電流之間的關(guān)系用功率因數(PF)表示。在生成非線(xiàn)性負載電流的系統中，采用功率因數校正(PFC)電路可使電源的輸入端表現為供電系統的線(xiàn)性負載。有效的PFC電路可同時(shí)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(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(guò)多種拓撲結構實(shí)現，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(jiǎn)單而廣為使用，連續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、平均和遲滯連續導通電流(CCM)模式控制，以及臨界導通模式(CRM)和非連續導通模式(DCM)。近些年來(lái)，PFC IC已使電源制造商在PF性能方面取得了重大改進(jìn)，但仍存在與某些實(shí)現的復雜度相關(guān)的可靠性問(wèn)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(shí)間控制和恒定伏秒關(guān)斷時(shí)間控制。單芯片解決方案可提供集成式無(wú)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 )新的變頻連續導通模式(VF-CCM)控制可通過(guò)在低平均開(kāi)關(guān)頻率下工作，達到抑制EMI和降低開(kāi)關(guān)損耗的目的。

安秒與伏秒控制

HiperPFS的核心是恒定安秒導通時(shí)間與恒定伏秒關(guān)斷時(shí)間控制算法。圖1以一個(gè)升壓PFC為例來(lái)說(shuō)明其控制機制。對開(kāi)關(guān)電流進(jìn)行積分和控制，使其在開(kāi)關(guān)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(jìn)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(shí)現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(gè)導通周期內，控制器對開(kāi)關(guān)電流的積分設定一個(gè)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(shí)際上，遠低于120 Hz半線(xiàn)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(huì )隨著(zhù)負載或線(xiàn)電壓的變化在許多周期內進(jìn)行穩定變化。通過(guò)這種恒定安秒控制，我們可以首先假設：

    (1)

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

  (2)

由于導通時(shí)間內的伏秒數必須等于關(guān)斷時(shí)間的伏秒數，以維持PFC電感內的磁通量平衡，因此對導通時(shí)間(tON)進(jìn)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(guān)系表明，通過(guò)控制恒定的安秒導通時(shí)間和恒定的伏秒關(guān)斷時(shí)間，輸入電流iin與輸入電壓Vin可成正比，從而以非常簡(jiǎn)單的控制電路提供基本的功率因數校正。

變頻連續導通模式(VF-CCM)

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

開(kāi)關(guān)導通時(shí)間隨負載而變。當這負載增大時(shí)，PFC開(kāi)關(guān)電流隨之增大以滿(mǎn)足負載要求。當開(kāi)關(guān)電流減小時(shí)，導通時(shí)間積分器在較短時(shí)間內即可滿(mǎn)足安秒平衡，開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)特性通過(guò)在轉換器的整個(gè)負載范圍內維持較低的平均開(kāi)關(guān)頻率并提升效率水平，可達到降低開(kāi)關(guān)損耗的目的。

在輕載下，關(guān)斷時(shí)間積分器的控制電壓參考(VOFF)由內部誤差信號(VE)進(jìn)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(jìn)一步降低平均頻率，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。在輕載條件下實(shí)現高效率，對傳統的PFC CCM方法來(lái)說(shuō)是一項挑戰，因為固定的MOSFET開(kāi)關(guān)頻率會(huì )在每個(gè)周期造成固定的開(kāi)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3所示。

 
圖 3. 固定開(kāi)關(guān)頻率的傳統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(huì )集中在一些固定頻率上，為EMI噪聲濾波帶來(lái)挑戰。在變頻控制中，開(kāi)關(guān)脈沖所傳遞的能量會(huì )分散在半AC線(xiàn)周期內的一系列頻率中。這意味著(zhù)，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，從而降低整體系統尺寸和成本。

PFC設計的簡(jiǎn)化 

圖4所示為一個(gè)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(luò )的使用，能提供非常簡(jiǎn)單的解決方案。

 
圖 4. 典型的HiperPFS應用電路圖

電壓監測引腳(V)電流用于在內部檢測輸入線(xiàn)電壓的峰值。這對線(xiàn)電壓前饋功能具有驅動(dòng)作用，以便在整個(gè)輸入線(xiàn)電壓范圍內維持恒定的電壓反饋環(huán)路增益，從而改善線(xiàn)電壓調整率和瞬態(tài)響應。此外，HiperPFS還集成了其他先進(jìn)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(gè)傳統CCM平均電流模式控制的電路設計。該設計需要一個(gè)電流放大器和一個(gè)補償網(wǎng)絡(luò )。電流檢測電阻的位置需要與電感電流串聯(lián)。除電阻會(huì )產(chǎn)生功率損耗外，噪聲敏感性問(wèn)題也構成設計挑戰，特別是在電感的紋波電流較低時(shí)。

 
圖 5. 傳統的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升壓功率因數轉換器在連續導通模式和非連續導通模式的交界處進(jìn)行工作。通常情況下，開(kāi)關(guān)導通時(shí)間是固定的，這通過(guò)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(lái)實(shí)現。當水平相匹配時(shí)，開(kāi)關(guān)將關(guān)斷。當電感電流降至零時(shí)，開(kāi)關(guān)將導通。當電感值固定時(shí)，輸入電流自動(dòng)跟蹤輸入電壓，從而實(shí)現功率因數校正。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(wú)需電流控制補償即可實(shí)現簡(jiǎn)單設計和和可變開(kāi)關(guān)頻率。續流二極管的選擇并不是關(guān)鍵，因為二極管在開(kāi)關(guān)電流為零時(shí)會(huì )關(guān)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(huì )在MOSFET和續流二極管中產(chǎn)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(kāi)關(guān)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(huì )生成更高的峰峰值電感電流，從而導致電感產(chǎn)生更高的遲滯損耗以及更高的銅損耗。
• CRM要么需要一個(gè)電流檢測電阻來(lái)檢測零電感電流，要么需要一個(gè)零電流檢測繞組來(lái)導通MOSFET。
• 與類(lèi)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(huì )加重噪聲問(wèn)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(jiǎn)單且允許使用并不昂貴的續流二極管。不過(guò)，HiperPFS則更為簡(jiǎn)單，它具有許多設計優(yōu)勢，比如MOSFET的導通及開(kāi)關(guān)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(kāi)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(diǎn)到滿(mǎn)載均可提供95%以上的效率（參見(jiàn)圖8）。高效率可以使設計滿(mǎn)足80+ PC規范要求。
 

圖 8. 效率隨輸出功率的變化

該電源在115 VAC輸入滿(mǎn)載條件下的功率因數高達0.998，在230 VAC輸入滿(mǎn)載條件下的功率因數可達0.984（參見(jiàn)圖9）。它可以輕松滿(mǎn)足EN61000-3-2 Class C和D對低諧波輸入電流元件的要求（參見(jiàn)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(lái)了全新的高性能PFC解決方案。與傳統的CCM和CRM控制方法相比，HiperPFS可以憑借簡(jiǎn)單、可靠、低元件數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(guān)于作者

Edward Ong是Power Integrations (PI)節能器件領(lǐng)域的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)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(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)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(xué)位、De La Salle University電子工程碩士(M.S.E.E.)學(xué)位以及Mapua Institute of Technology電機工程學(xué)士(B.S.E.E.)學(xué)位。