創(chuàng)新、簡單而又高效節(jié)能的PFC解決方案

簡介

開關(guān)電源因具有良好的輸入電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率、高轉(zhuǎn)換效率以及體積小巧等優(yōu)勢，如今幾乎為所有電子系統(tǒng)采用。不過，由于開關(guān)電源屬于非線性元件，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功輸入同時存在，容易降低AC電源的供電效能，從而造成EMI問題和能源損耗。

輸入電壓與輸入電流之間的關(guān)系用功率因數(shù)(PF)表示。在生成非線性負(fù)載電流的系統(tǒng)中，采用功率因數(shù)校正(PFC)電路可使電源的輸入端表現(xiàn)為供電系統(tǒng)的線性負(fù)載。有效的PFC電路可同時降低峰值電流和RMS電流，并優(yōu)化AC電源的供電效率。

由于功率因數(shù)對供電基礎(chǔ)設(shè)施具有影響，政府機(jī)構(gòu)已出臺并逐步提高對功率因數(shù)(PF)和諧波失真的要求。IEC/EN61000-3-2的PF標(biāo)準(zhǔn)廣泛適用于包括家用和商用應(yīng)用在內(nèi)的電子設(shè)備。

PFC可通過多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，例如降壓、升壓、反激、?uk和單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC).升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因設(shè)計簡單而廣為使用，連續(xù)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(xù)導(dǎo)通電流(CCM)模式控制，以及臨界導(dǎo)通模式(CRM)和非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。近些年來，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(xiàn)的復(fù)雜度相關(guān)的可靠性問題。

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(dú)特的控制策略，即恒定安秒導(dǎo)通時間控制和恒定伏秒關(guān)斷時間控制。單芯片解決方案可提供集成式無損耗電流檢測，省去電流控制環(huán)路外部補(bǔ)償元件，從而降低設(shè)計復(fù)雜度。創(chuàng)新的變頻連續(xù)導(dǎo)通模式(VF-CCM)控制可通過在低平均開關(guān)頻率下工作，達(dá)到抑制EMI和降低開關(guān)損耗的目的。

安秒與伏秒控制

HiperPFS的核心是恒定安秒導(dǎo)通時間與恒定伏秒關(guān)斷時間控制算法。圖1以一個升壓PFC為例來說明其控制機(jī)制。對開關(guān)電流進(jìn)行積分和控制，使其在開關(guān)導(dǎo)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(xiàn)對輸出電壓及功率的調(diào)整。

 
圖 2.恒定安秒與伏秒控制原理圖

在功率MOSFET的每個導(dǎo)通周期內(nèi)，控制器對開關(guān)電流的積分設(shè)定一個恒定值。由于升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓控制環(huán)路的帶寬非常低（實(shí)際上，遠(yuǎn)低于120 Hz半線周期頻率），可以將每周期的積分電流視為恒定。為調(diào)整輸出電壓，控制電壓VC會隨著負(fù)載或線電壓的變化在許多周期內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定變化。通過這種恒定安秒控制，我們可以首先假設(shè)：

    (1)

為實(shí)現(xiàn)關(guān)斷時間控制，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)斷時間。關(guān)斷時間(tOFF)的伏秒數(shù)可表示如下：

  (2)

由于導(dǎo)通時間內(nèi)的伏秒數(shù)必須等于關(guān)斷時間的伏秒數(shù)，以維持PFC電感內(nèi)的磁通量平衡，因此對導(dǎo)通時間(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，通過控制恒定的安秒導(dǎo)通時間和恒定的伏秒關(guān)斷時間，輸入電流iin與輸入電壓Vin可成正比，從而以非常簡單的控制電路提供基本的功率因數(shù)校正。

變頻連續(xù)導(dǎo)通模式(VF-CCM)

圖2中的曲線圖描繪了頻率隨輸入線電壓和輸出負(fù)載的變化情況。當(dāng)線電壓升高時，PFC電感的電壓差會減小，關(guān)斷時間積分器需要更長的時間才能達(dá)到VOFF閾值。當(dāng)輸入電壓降低時，關(guān)斷時間積分器在較短時間內(nèi)即可滿足伏秒平衡。

開關(guān)導(dǎo)通時間隨負(fù)載而變。當(dāng)這負(fù)載增大時，PFC開關(guān)電流隨之增大以滿足負(fù)載要求。當(dāng)開關(guān)電流減小時，導(dǎo)通時間積分器在較短時間內(nèi)即可滿足安秒平衡，開關(guān)頻率隨之升高。

  
圖 2. 頻率隨負(fù)載和輸入電壓的變化

VF-CCM控制的可變開關(guān)特性通過在轉(zhuǎn)換器的整個負(fù)載范圍內(nèi)維持較低的平均開關(guān)頻率并提升效率水平，可達(dá)到降低開關(guān)損耗的目的。

在輕載下，關(guān)斷時間積分器的控制電壓參考(VOFF)由內(nèi)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，從而降低開關(guān)損耗。在輕載條件下實(shí)現(xiàn)高效率，對傳統(tǒng)的PFC CCM方法來說是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)楣潭ǖ腗OSFET開關(guān)頻率會在每個周期造成固定的開關(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. 固定開關(guān)頻率的傳統(tǒng)CCM控制方法 – 輸入電流

如果采用固定頻率CCM設(shè)計，次諧波噪聲會集中在一些固定頻率上，為EMI噪聲濾波帶來挑戰(zhàn)。在變頻控制中，開關(guān)脈沖所傳遞的能量會分散在半AC線周期內(nèi)的一系列頻率中。這意味著，HiperPFS通常能降低轉(zhuǎn)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(tǒng)尺寸和成本。

PFC設(shè)計的簡化 

圖4所示為一個典型的基于HiperPFS的PFC應(yīng)用電路。VF-CCM控制已省去了外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的使用，能提供非常簡單的解決方案。

 
圖 4. 典型的HiperPFS應(yīng)用電路圖

電壓監(jiān)測引腳(V)電流用于在內(nèi)部檢測輸入線電壓的峰值。這對線電壓前饋功能具有驅(qū)動作用，以便在整個輸入線電壓范圍內(nèi)維持恒定的電壓反饋環(huán)路增益，從而改善線電壓調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)。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(hù)。

作為對比，圖5所示為一個傳統(tǒng)CCM平均電流模式控制的電路設(shè)計。該設(shè)計需要一個電流放大器和一個補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。電流檢測電阻的位置需要與電感電流串聯(lián)。除電阻會產(chǎn)生功率損耗外，噪聲敏感性問題也構(gòu)成設(shè)計挑戰(zhàn)，特別是在電感的紋波電流較低時。

 
圖 5. 傳統(tǒng)的CCM平均電流模式控制的電路圖

VF-CCM控制與臨界導(dǎo)通模式(CRM)控制比較

CRM升壓功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式和非連續(xù)導(dǎo)通模式的交界處進(jìn)行工作。通常情況下，開關(guān)導(dǎo)通時間是固定的，這通過比較電壓環(huán)路誤差放大器的輸出電壓和鋸齒參考波形來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)水平相匹配時，開關(guān)將關(guān)斷。當(dāng)電感電流降至零時，開關(guān)將導(dǎo)通。當(dāng)電感值固定時，輸入電流自動跟蹤輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。電感電流如圖6所示。

 
圖 6. 臨界導(dǎo)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，比如無需電流控制補(bǔ)償即可實(shí)現(xiàn)簡單設(shè)計和和可變開關(guān)頻率。續(xù)流二極管的選擇并不是關(guān)鍵，因?yàn)槎O管在開關(guān)電流為零時會關(guān)斷。但是，仍存在以下明顯缺陷而不利于在較高功率PFC設(shè)計中使用CRM：

• CRM控制會在MOSFET和續(xù)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中的開關(guān)及導(dǎo)通功率損耗比較高。
• CRM控制要求使用更大的磁芯。因?yàn)樗鼤筛叩姆宸逯惦姼须娏鳎瑥亩鴮?dǎo)致電感產(chǎn)生更高的遲滯損耗以及更高的銅損耗。
• CRM要么需要一個電流檢測電阻來檢測零電感電流，要么需要一個零電流檢測繞組來導(dǎo)通MOSFET。
• 與類似的VF-CCM設(shè)計相比，CRM控制所生成的峰值電流將近前者的兩倍。這會加重噪聲問題，從而增大EMI濾波元件的成本。
基于CRM的PFC IC在低功率PFC設(shè)計中已得到廣泛使用，因?yàn)樗鼈儽容^簡單且允許使用并不昂貴的續(xù)流二極管。不過，HiperPFS則更為簡單，它具有許多設(shè)計優(yōu)勢，比如MOSFET的導(dǎo)通及開關(guān)損耗更低、二極管導(dǎo)通損耗更低、電感磁芯及銅損耗更低、負(fù)載范圍內(nèi)的效率更高、EMI更低且EMI濾波器更小、元件數(shù)更少以及集成多項(xiàng)保護(hù)功能。由于具有軟恢復(fù)特性的超快速恢復(fù)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(yīng)用提供理想的解決方案。

設(shè)計范例

一款347 W PFC前端轉(zhuǎn)換器（如圖7所示）已采用HiperPFS PFS714EG集成式PFC控制器設(shè)計而成，并配有全面的驗(yàn)證報告(RDR-236)。這份示范性的設(shè)計范例適用于開發(fā)人員，可對新的原型設(shè)計提供參考。

 
圖 7.  347 W HiperPFS前端PFC轉(zhuǎn)換器

該設(shè)計從10%負(fù)載點(diǎn)到滿載均可提供95%以上的效率（參見圖8）。高效率可以使設(shè)計滿足80+ PC規(guī)范要求。
 

圖 8. 效率隨輸出功率的變化

該電源在115 VAC輸入滿載條件下的功率因數(shù)高達(dá)0.998，在230 VAC輸入滿載條件下的功率因數(shù)可達(dá)0.984（參見圖9）。它可以輕松滿足EN61000-3-2 Class C和D對低諧波輸入電流元件的要求（參見圖10）。

結(jié)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(zhuǎn)換器帶來了全新的高性能PFC解決方案。與傳統(tǒng)的CCM和CRM控制方法相比，HiperPFS可以憑借簡單、可靠、低元件數(shù)及低成本的解決方案為電源設(shè)計師提供更佳的選擇。

參考文獻(xiàn)

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(jié)能器件領(lǐng)域的產(chǎn)品營銷經(jīng)理。在加盟PI之前，Edward曾分別擔(dān)任Emerson Network Power的項(xiàng)目經(jīng)理和產(chǎn)品營銷經(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(jī)工程學(xué)士(B.S.E.E.)學(xué)位。