创新、简单而又高效节能的PFC解决方案

 简介

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。不过，由于开关电源属于非线性元件，因此可产生与输入电压异相的高幅度窄脉冲。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AC电源的供电效能，从而造成EMI问题和能源损耗。

输入电压与输入电流之间的关系用功率因数(PF)表示。在生成非线性负载电流的系统中，采用功率因数校正(PFC)电路可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、?uk和单端初级电感转换器(SEPIC).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。到如今，电源IC制造商已推出了众多控制策略，其中包括峰值、平均和迟滞连续导通电流(CCM)模式控制，以及临界导通模式(CRM)和非连续导通模式(DCM)。近些年来，PFC IC已使电源制造商在PF性能方面取得了重大改进，但仍存在与某些实现的复杂度相关的可靠性问题。

HiperPFS的主要特色

HiperPFS?是Power Integrations新推出的一款PFC IC，它的最大不同之处在于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。单芯片解决方案可提供集成式无损耗电流检测，省去电流控制环路外部补偿元件，从而降低设计复杂度。创新的变频连续导通模式(VF-CCM)控制可通过在低平均开关频率下工作，达到抑制EMI和降低开关损耗的目的。

安秒与伏秒控制

HiperPFS的核心是恒定安秒导通时间与恒定伏秒关断时间控制算法。图1以一个升压PFC为例来说明其控制机制。对开关电流进行积分和控制，使其在开关导通期间具有恒定的安秒乘积，从而使平均输入电流波形跟随输入电压波形。对输出与输入电压之间的差值进行积分可维持恒定的伏秒平衡（由升压电感的电磁特性决定），从而实现对输出电压及功率的调整。

图 1 恒定安秒与伏秒控制原理图

在功率MOSFET的每个导通周期内，控制器对开关电流的积分设定一个恒定值。由于升压转换器输出电压控制环路的带宽非常低（实际上，远低于120 Hz半线周期频率），可以将每周期的积分电流视为恒定。为调整输出电压，控制电压VC会随着负载或线电压的变化在许多周期内进行稳定变化。通过这种恒定安秒控制，我们可以首先假设：
(1)
为实现关断时间控制，采用与输出输入电压差成正比的电流源。对电流进行积分并与固定电压参考(VOFF)相比较以确定周期关断时间。关断时间(tOFF)的伏秒数可表示如下：
(2)

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电感内的磁通量平衡，因此对导通时间(tON)进行控制可使：
(3)
将tON从(3)代入(1)可得出：
(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，从而以非常简单的控制电路提供基本的功率因数校正。

变频连续导通模式(VF-CCM)

图2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。

图 2. 频率随负载和输入电压的变化

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(VOFF)由内部误差信号(VE)进行修改，该电压与输出功率直接成正比。修改后的VOFF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3所示。

图 3. 固定开关频率的传统CCM控制方法 – 输入电流

如果采用固定频率CCM设计，次谐波噪声会集中在一些固定频率上，为EMI噪声滤波带来挑战。在变频控制中，开关脉冲所传递的能量会分散在半AC线周期内的一系列频率中。这意味着，HiperPFS通常能降低转换器的总X和Y电容要求以及升压扼流圈和EMI噪声抑制扼流圈的电感，从而降低整体系统尺寸和成本。

PFC设计的简化