满足新应用需求的先进PFC技术及解决方案

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。

1 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。

2 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300 W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)。

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，如图2所示。

图2：安森美半导体双NCP1601交错式PFC方案在不同负载范围下的能效

3 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。