100% 高效电源的时代来临

在1980年代中期，电源行业开始出现重大变革，离线式电源的设计方式和制造方式方发生了变化。电源设计人员没有充分了解到后续影响，就针对离线开关模式功率转换推出了功率因数校正 (PFC)，这些新开发的PFC前端器件把电源的输入特性从高度非线性峰值整流变为仿真电阻性输入阻抗，而这种变革 (电源如何看待其输入源) 的重要意义，对于电网的利用和效率产生了深远的影响。

随着家庭和办公场所需要插入墙壁电源使用的电子设备不断增加，对电能的的需求也前所未有地庞大。更重要的是，我们的现代科技改变了120V 或 230V AC电网供电的负载特性。虽然白炽灯泡和其它旧式电子设备看起来更像是电阻性负载，但电脑、所有遥控装置的备用电源，以及电池充电器等新设备给电力公司带来了一个大问题，而这些新设备已成为我们日常生活不可或缺的部分。由于这些新设备的尺寸比传统技术装置更小，因此都采用开关模式功率转换器。它们的输入级为峰值整流器电路，把AC源转换为DC电压，并提供能量存储。峰值整流器只在AC线路电压在峰值附近时消耗电流。

图1 采用峰值整流输入的典型线路电压和电流波形

结果是输入电流的导通角很小，而奇数倍线路频率的谐波幅度却很大。采用峰值整流的离线电源的功率因数 (PF) 一般在0.5 到 0.7之间。功率因数是输入电源使用效率的一个重要指标，其定义是负载消耗的有功功率 (单位：瓦特) 和视在功率 (单位：伏安VA) 之比，后者是由电厂产生并供给负载的功率。

图2 有功功率、无功功率和视在功率

一个功率因数是0.7的负载意味着为了使用100W的有功功率，发电机必需另外提供100VAR的无功功率。无功功率不但没有用，而且还给配电网带来额外的压力和损耗。低功率因数会逐步加大对发电量的需求，这早已是公认的事实，而电力公司也一直致力于解决这一问题。电网中电容性或电感性负载经常切入切出，以校正低功率因数。此外，有些供电商对功率因数低至0.95以下的用户征收罚款。

提高PF的另一个实际好处是可以从普通装置中汲取更多的能量，这是由于功率因数校正大大降低了输入电流的RMS值之故。一般采用15A断路器保护的使用普通120V AC的家庭能够为经功率因数校正的负载提供1.8kW功率，而在相同供电的情况下，采用峰值整流输入级的设备根据不同的负载电流波形和PF，只能提供1.3kW 到 1.5KW的功率。

1980年代中期，在几项因素的共同推动之下，富有才干的电源工程师着手解决电源本身的功率因数问题。其中最重要的因素是，众多采用尺寸更小、效率更高的开关模式电源的应用领域对于电能的需求暴涨。这种趋势主要见于电信和计算行业，随之又向工业、照明以及稍后的消费应用领域迅速蔓延。设备数量的庞大造成供电方的功率因数显著下降，并给电网引入大量3阶和7阶谐波电流，这些问题都亟待解决。

这一领域的先锋们利用无源组件构建了首个功率因数校正电源，以期改进输入电流波形的特性。然而，相比开关模式功率转换技术对尺寸的大幅减小，这些无源电路显得过于笨重，因此业界有待进一步创新，而开关模式功率因数校正器也即将问世。

从这一趋势伊始，升压转换器就是常见任务中最流行的转换器拓扑。升压拓扑如图3所示，是一种非常简单的功率级。它只需要一个电感、一个合适的开关晶体管和一个整流器二极管，很容易安置在整流器桥的输出与存储能量的电容之间，现在已为电源所采用，实现只需对现有设计做极少的改动即可。

图3 带升压功率因数校正器的电源输入原理简图

升压转换器之所以在功率因数校正中占主导地位，是因为它能够从任何低于它的稳定输出电压水平的输入电压中获取受控电流。这种特性尤其适合于仿真电阻性输入阻抗，从而产生理想的整功率因数 (unity power factor)。

为了获得趋近于一的功率因数，必须对升压转换器进行适当的控制。其输入电流应该完全跟踪输入电压的波形，就好像有一个电阻与干线相连一样，这时需要一个还没见于市场上的专用控制器。

和许多新兴技术一样，第一个PFC控制器也是采用分立式组件，一个振荡器、运算放大器和比较器来实现的。不过，该电路似乎相当复杂，而且也仍旧无法解决最佳控制算法的所有问题。直到1990年首款专用于功率因数校正应用的集成式PWM控制器UC3854推出，这种控制方面的瓶颈问题才终于得到满意的解决。UC3854堪称拼图的关键之片，一举促使PFC转换器成为主流。

这种控制器让升压转换器在连续电流模式(CCM) 下工作，并采用平均电流控制模式来实现输入电流与输入电压波形的一致性。电流环路的参考数值可通过瞬时输入电压和误差放大器输出