PFC在電源設計中的作用

數字控制PFC

用于電源的低成本、高性能數字控制器的出現使得這類(lèi)控制器開(kāi)始應用于PFC設計。數字控制器可提供可編程配置、非線(xiàn)性控制、低器件數和實(shí)現通常使用模擬方法很難實(shí)現的復雜功能的能力。

如今的大多數數字功率控制器(比如TI的UCD3020)都具有集成式功率控制外設和功率管理內核，包括數字環(huán)路補償器、快速模數轉換器(ADC)、帶內置死區時(shí)間的高分辨率數字脈寬調制器(DPWM)、低功耗微控制器等。這些控制器支持無(wú)橋PFC等復雜的高性能電源設計。

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是慢速恢復二極管。單獨感測以?xún)炔侩娫吹貫榛鶞实木€(xiàn)路和中性點(diǎn)電壓可實(shí)現輸入交流電壓的測量。通過(guò)比較感測的線(xiàn)路和中性信號，固件可以判斷是正半周期還是負半周期。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(guò)D4返回至交流中性線(xiàn)。在負半周期時(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)。

與采用相同的功率器件的傳統單相PFC相比，無(wú)橋PFC和單相PFC應具有相同的開(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，負半周期時(shí)為D3)，而不是同時(shí)通過(guò)兩個(gè)二級管。因此，效率的提升依靠的是一個(gè)二極管與兩個(gè)二極管之間的傳導損耗之差。

無(wú)橋PFC的效率還可以通過(guò)全面導通不活動(dòng)的開(kāi)關(guān)來(lái)提升。比如，在正周期時(shí)，S2可以全面導通，而S1由PWM信號控制。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(guò)L1-D1-RL-S2-L2，然后返回至交流電源。這就降低了傳導損耗，從而提高了電路效率(特別是在輕負載下的電路效率)。同樣，在負周期時(shí)，S1全面導通，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。在此基礎上，頻率和輸出電壓可以進(jìn)行相應地調整。固件實(shí)現數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)現該功能。

更多的數字PFC控制器

ADI公司最近發(fā)布了ADP1047和ADP1048數字PFC控制器，這兩款控制器還可以提供輸入電能計量和浪涌電流控制。ADP1047用于單相PFC應用，而ADP1048則針對交錯式和無(wú)橋PFC應用。

數字PFC功能基于傳統的升壓電路來(lái)為AC-DC系統提供最佳的諧波校正和功率因數。所有的信號都被轉換成數字信號，從而最大限度地提高靈活性；關(guān)鍵參數可以通過(guò)PMBus接口進(jìn)行報告和調整。

總的來(lái)說(shuō)，ADP1047和ADP1048的配置可以幫助設計工程師優(yōu)化系統性能，最大限度地提高負載范圍的效率。這兩款I(lǐng)C可以精確地測量RMS輸入電壓、電流和功率。然后該數據可以通過(guò)PMBus接口報告給電源的微控制器。

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

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