作者：贸泽电子Mark Patrick

引言：如今，我们的技术驱动型社会对于生态的影响正受到越来越广泛关注，而且经常成为媒体的头条新闻，并最终会影响政府政策。社会对各种能源的需求持续上升，相关成本也不断提高。因此，设计和制造具有更高能效的电子产品是一个重要问题，而所有基本的设计决策都需要立足于实现这一目标。最新的行业标准要求更准确地反映电子产品在整个负载范围的效率水平，即从轻负载一直到满负载条件，而不是仅仅局限于某个特定的运行条件。本文将探讨如何更好地实施功率因数校正（PFC）以便能够显著提高能量效率。还将介绍有关下一代PFC控制器 IC 的详细信息，这些IC正在不断面市以实现更高的整体效率。

最近，能源一直是一个非常有新闻价值的话题，全世界都认识到向可再生能源转变的重要性，而不是继续依赖过度消耗对于环境有害的矿物燃料。各国政府试图通过提高电子产品效率来限制不断上涨的能源成本，因而能源不断成为头条新闻。随着我们在日常生活的方方面面使用更多的新技术，对于能源的需求也在不断增加。当这种更多的能源需求与不断攀升的单位成本相结合，将给消费者带来巨大数量的用电成本，并影响商业能源用户的预算。

在许多情况下，无论对于家用还是企业用途设备，能效正在成为购买新设备的关键选择标准。但在过去，能效数字有些误导，制造商往往引用"最佳可能"的数字，但由于设备很少在这个最佳点运行，因此实际效率较低，导致更高的运营成本。

为了解决这个问题，标准组织、行业协会和政府机构对效率标准提出了新要求，即从轻负荷到满负荷运行过程的最低效率水平。电力系统设计人员开始寻找满足新法规的方法，他们的注意力被吸引到功率因数校正（PFC），并认识到这是可以节省能源的途径。一些估算表明，PFC级与EMI滤波器结合使用，可消耗系统近十分之一的有用功率。

为什么PFC很重要？

如果是简单的电阻负载，PFC并不重要。电流和电压波形处于同相位状态，功率是这两个波形的乘积，所有的功率都消耗在电阻性负载上。然而，在现实世界中，许多负载包含有电感性或电容性元件，它们被称为“无功负载（reactive）”或“复负载（complex）”。这些复杂的负载可能导致电流和电压之间产生相位差，从而降低负载可用的实际功率。在这种情况下，能源成本基于视在功率（apparent power），并高于实际所使用的功率。负载的无功功率越大，表明电流和电压之间相位差越大，实际功率越低。

要计算实际功率，视在功率必须乘以电压和电流之间相位角的余弦(称为"相移因子")。当设备的输入级包含以非连续方式运行的组件时，例如为绝大多数现代设备供电的开关模式电源（SMPS） 中的二极管桥，情况会再次发生改变。

当电流波形从正弦波变为一系列尖峰时，存在谐波电流。这些电流在负载中循环，但无助于可用功率，因此会降低效率。为了在功率计算中表示这一点，可使用基于总谐波失真（THD）的"失真因子"。波形失真越大，影响实际功率的有害因子越大。

从数学角度分析，任何系统的功率因数（PF）都是相移因子和失真因子的乘积。这意味着，如果电流波形是正弦，并且与电压同相位，则对效率没有影响。但是，如果相位差和/或波形失真越大，实际功率越低。

PFC的支撑技术

管理系统功率因数的一种方法是降低负载的无功功率，但在许多实际情况下，这并不是一个可行的解决方案。例如，电机肯定具有绕组，这些绕组本质上就会产生无功功率。为了解决不良功率因数的影响，设计人员通常会在SMPS的前端包含一个有源 PFC 级。考虑到范围广泛的各种应用和多种功率水平，现在已经开发出了许多种 PFC 控制方案。LED技术在许多应用中已经取代了传统灯泡，因此照明更多是通过 SMPS 供电，而不是直接来自电源电压。在这种情况下，一种称为临界导通模式（CrM）的拓扑架构很受业界欢迎，这种可变频率方法仅在电流波形为零交叉（zero-crossing）时开关，从而消除了反电动势，并不再需要快速恢复二极管。

另一种广泛使用的技术是连续导通模式（CCM），它主要针对功率水平在300W以上的高功率系统。这种模式以固定频率工作，在其开关时，有电流流动，需要快速恢复二极管。

针对上述两种技术，都有众多的半导体供应商提供PFC控制器，使设计人员能够非常快速地实施PFC解决方案。某些供应商也提供更高级的方法，一些厂商的技术甚至能够根据负载条件来改变传导模式，从而确保尽可能达到最高效率。

现代PFC解决方案

Diodes公司的AL1771/AL1772专门针对照明应用而设计，它是整合了离线高PFC控制器和单/双通道 LED 驱动器的高集成度器件。这些器件采用紧凑型TSSOP-16封装，可针对各种互连型照明应用实施优化的两级拓扑架构，尤其是单通道可调光和双通道可调白光 LED 设计。这些器件基于初级侧稳压（PSR）技术，无需次级反馈即可运行，因此不需要光耦合器，从而节省电路板空间和物料清单成本。这些器件在准谐振（QR）模式下工作，MOSFET 在漏极电压的谷底处导通，能够最大限度地降低开关损耗，从而提高效率。

Power Integrations 的HiperPFS-4系列 PFC 控制器则定位于较高功率应用，这些 IC 都在单一封装中集成有 CCM 升压 PFC 控制器、栅极驱动器和600V功率MOSFET，能够进行垂直或水平安装。HiperPFS-4 器件采用创新的控制技术，可在输出负载、输入线电压和输入线路周期内调节开关频率，无需外部电流检测电阻即可实现高效率，并消除了相关的功率损耗。

这种控制技术不仅能够最大限度地提高整个负载范围的效率，而且由于具有高带宽扩展频谱效应，可最大限度地减少 EMI 滤波要求。虽然 HiperPFS-4 器件的主要核心仍然采用模拟技术，但线路监控、前馈缩放（feed-forward scaling）和功率因数增强等重要功能都采用数字技术，大大降低了空载功耗。这些IC在整个负载范围内具有平坦的效率曲线，可以轻松满足EN61000-3-2 Class C/D等现代效率标准要求。这些器件还可在低负载（20％）下实现高功率因数（>0.95），使其适用于LCD TV、笔记本电脑、电机、风扇和 LED 照明等应用。

图 1：来自Power Integrations的 HiperPFS-4。

图2：德州仪器的UCC28064A PFC控制器IC。

安森美半导体（ON Semiconductor）的NCP1622是一款增强型 PFC 控制器，专门针对驱动PFC升压级而设计。它基于创新的谷底同步频率折返（VSFF）技术，当用户可编程控制电压超过阈值时，器件通常以 CrM 模式工作。在此阈值以下，跳过功能可降低频率直到控制电压达到阈值。VSFF能够确保在轻载和额定载荷下具有最高的效率水平，特别是能够降低待机损耗。即使在较低工作频率下，NCP1622也可以实现接近统一的功率因数。NCP1622集成有热关断、过压保护、过流限制和欠压检测等多种安全功能，该器件还能够检测并响应故障，例如断开的反馈引脚，开路接地引脚或短路旁路二极管等等。NCP1622适用于所有需要PFC的离线应用以及PC电源和照明镇流器（包括LED和荧光灯）等应用。

德州仪器（TI）的UCC28064A交错式（interleaved）PFC 控制器能够支持更高的额定功率，它采用了德州仪器专有的自然交错（Natural Interleaving）技术，两个通道均能够以相同频率作为主设备运行，可为每个交错式通道提供更快的响应时间、更好的相间导通时间匹配（phase-to-phase on-time matching）和过渡模式（transition mode）运行。UCC28064A具有阈值可调节的内置突发模式功能，可在轻负载时实现高效率，从而能够确保符合EUP Lot6 Tier II、CoC Tier II 和 DOE Level VI 等具有挑战性的待机功率标准要求。UCC28064A适用于所有类型的电视、一体式电脑、家庭音响系统和电源适配器等应用。德州仪器可通过WEBENCH电源设计软件提供各种支持。

总结

对于需要确定、购买或运营功率系统的任何人来说，他们总是希望在能源价格不断上涨的情况下能够更有效地控制运营成本，因而能效永远是一个至关重要的话题。随着能源标准的不断演进，待机功率和轻载效率得到越来越多关注，而以往这两种情况下通常效率都很低。考虑到这种产业趋势以及满足近乎统一的 PFC 需求，而且不能浪费宝贵的功率，所有这些为电源设计人员提出了一系列复杂的挑战。然而，就高集成度和先进的 PFC 控制 IC 而言，市面上有许多可供设计人员选择的解决方案，这些方案集成了许多创新的技术和功能，可以满足最新能效标准的要求。