通过集成式解决方案进一步简化PFC电路的设计

开关电源因具有良好的输入电压调整率和负载调整率、高转换效率以及体积小巧等优势，如今几乎为所有电子系统采用。在最高至500 W的功率范围内，开关电源包括大批量不同功率的应用，例如LED/LCD电视机、LED照明、PC以及其他IT设备。对于所有这些应用来说，涵盖系统功耗和环境影响的法规正在全球范围内变得越来越严格，特别是在效率和功率因数方面。遗憾的是，开关电源可从AC电源吸收高幅度窄脉冲，从而产生输入线电流的多次谐波。电流脉冲的高谐波含量与电源的无功输入同时存在，容易降低功率因数，并造成EMI问题和能源损耗。

功率因数

功率因数(PF)用于表示电子设备所吸收AC输入电压与电流之间的关系。当输入电压和输入电流完全一致时，设备的功率因数就为1。如上面所述的任何非线性特性会使功率因数降到1以下。这种情况不是理想的，因为这会造成能源浪费，并且在电能中存在噪声污染，干扰到其他设备。功率因数校正(PFC)电路是开关电源中的一个重要元素，它们的作用是使电源的输入端表现为供电系统的线性负载。有效的PFC电路可同时降低峰值电流和RMS电流，并优化AC电源的供电效率。

由于功率因数对供电基础设施具有影响，政府机构已出台并逐步提高对功率因数(PF)和谐波失真的要求。IEC/EN61000-3-2的PF标准广泛适用于包括家用和商用应用在内的电子设备。

PFC可通过多种拓扑结构实现，例如降压、升压、反激、cuk和sepic(单端初级电感转换器)。升压拓扑结构因设计简单而广为使用，连续的输入电感电流使其非常适用于PFC电路。通过采用升压技术和多种控制策略，电源制造商近年在功率因数性能方面取得了重大改进。

HiperPFS的发展

2010年，Power Integrations推出了新的升压式PFC IC - HiperPFS™⁽¹⁾ IC，该产品系列采用了独特的控制策略，即恒定安秒导通时间控制和恒定伏秒关断时间控制。单芯片解决方案在同一个封装内集成了控制电路和功率MOSFET开关，可提供集成的无损耗电流检测和较低的外围元件数。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升压二极管现在与非线性反馈放大器以及更先进的控制电路集成在一起。其结果是设计周期更快、BOM成本更低和PFC性能更高。

安秒与伏秒控制

HiperPFS-2 IC采用创新的控制方法，通过改变功率开关的导通时间和关断时间可使输入电流波形与输入电压波形的形状保持相似。这种控制可产生一个连续模式功率开关电流波形：在整个AC输入半周期内同时改变频率和峰值电流值，产生与输入电压成正比的输入电流。更确切的说，该控制技术可为关断时间设置恒定的伏秒数。对关断时间进行控制可使其满足：

(V_OUT - V_IN)x t_OFF = K₁       (1)

由于导通时间内的伏秒数必须等于关断时间的伏秒数，以维持PFC扼流圈内的磁通量平衡，因此对导通时间进行控制可使：

V_IN x t_ON = K₁       (2)

控制器还可以在功率MOSFET的每个导通周期内设置恒定的电荷值。每周期电荷随着负载变化在许多开关周期内逐渐发生变化，因此可认为它在半个AC输入半周期内大体上保持恒定。由于采用这种恒定电荷(安秒)控制，因此可得出以下关系式：

I_IN x t_ON = K₂ (3)

将t_ON从(2)代入(3)可得出：

I_IN = V_IN x K₂/K₁ (4)

公式(4)所表示的关系表明，通过控制恒定的安秒导通时间和恒定的伏秒关断时间，输入电流IIN与输入电压VIN可成正比，从而提供基本的功率因数校正要求。

变频连续导通模式(VF-CCM)

图1中的曲线图描绘了频率随输入线电压和输出负载的变化情况。当线电压升高时，PFC电感的电压差会减小，关断时间积分器需要更长的时间才能达到VOFF阈值。当输入电压降低时，关断时间积分器在较短时间内即可满足伏秒平衡。

开关导通时间随负载而变。当这负载增大时，PFC开关电流随之增大以满足负载要求。当开关电流减小时，导通时间积分器在较短时间内即可满足安秒平衡，开关频率随之升高。

VF-CCM控制的可变开关特性通过在转换器的整个负载范围内维持较低的平均开关频率并提升效率水平，可达到降低开关损耗的目的。

在轻载下，关断时间积分器的控制电压参考(V_OFF)由内部误差信号(V_E)进行修改，该电压与输出功率直接成正比。修改后的V_OFF斜率可进一步降低平均频率，从而降低开关损耗。在轻载条件下实现高效率，对传统的PFC CCM方法来说是一项挑战，因为固定的MOSFET开关频率会在每个周期造成固定的开关损耗，即使在轻载条件下也是如此。固定频率CCM控制方法如图2所示。