通過(guò)集成式解決方案進(jìn)一步簡(jiǎn)化PFC電路的設計

　　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。在最高至500 W的功率范圍內，開(kāi)關(guān)電源包括大批量不同功率的應用，例如LED/LCD電視機、LED照明、PC以及其他IT設備。對于所有這些應用來(lái)說(shuō)，涵蓋系統功耗和環(huán)境影響的法規正在全球范圍內變得越來(lái)越嚴格，特別是在效率和功率因數方面。遺憾的是，開(kāi)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(xiàn)電流的多次諧波。電流脈沖的高諧波含量與電源的無(wú)功輸入同時(shí)存在，容易降低功率因數，并造成EMI問(wèn)題和能源損耗。

　　功率因數

　　功率因數(PF)用于表示電子設備所吸收AC輸入電壓與電流之間的關(guān)系。當輸入電壓和輸入電流完全一致時(shí)，設備的功率因數就為1。如上面所述的任何非線(xiàn)性特性會(huì )使功率因數降到1以下。這種情況不是理想的，因為這會(huì )造成能源浪費，并且在電能中存在噪聲污染，干擾到其他設備。功率因數校正(PFC)電路是開(kāi)關(guān)電源中的一個(gè)重要元素，它們的作用是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、cuk和sepic(單端初級電感轉換器)。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。通過(guò)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性能方面取得了重大改進(jìn)。

　　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。單芯片解決方案在同一個(gè)封裝內集成了控制電路和功率MOSFET開(kāi)關(guān)，可提供集成的無(wú)損耗電流檢測和較低的外圍元件數。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升壓二極管現在與非線(xiàn)性反饋放大器以及更先進(jìn)的控制電路集成在一起。其結果是設計周期更快、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(guò)改變功率開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)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(gè)連續模式功率開(kāi)關(guān)電流波形：在整個(gè)AC輸入半周期內同時(shí)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(shuō)，該控制技術(shù)可為關(guān)斷時(shí)間設置恒定的伏秒數。對關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行控制可使其滿(mǎn)足：

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

　　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扼流圈內的磁通量平衡，因此對導通時(shí)間進(jìn)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(gè)導通周期內設置恒定的電荷值。每周期電荷隨著(zhù)負載變化在許多開(kāi)關(guān)周期內逐漸發(fā)生變化，因此可認為它在半個(gè)AC輸入半周期內大體上保持恒定。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(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，從而提供基本的功率因數校正要求。

　　變頻連續導通模式(VF-CCM)

　　圖1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。

　　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(V_OFF)由內部誤差信號(V_E)進(jìn)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(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2所示。