作者：安森美半導體技術人員Joel Turchi

幾乎每個人都意識到需要優化能效，無論是力求在高能源價格時代限制成本的消費者和企業運營商，還是期望滿足日益復雜的要求和眾多標準的設計人員。如果尚未以浪費能源的高成本為動力，那么產生能量對環境的影響就會隨著熱量的增加而成為越來越顯著的問題。

認識到需要改進，各國政府和行業協會都制定了書面標準，在某些情況下必須在產品投放市場前就滿足這些標準。關注成本或有環保意識的客戶在做出購買決定時依賴于這些標準，以確信他們在購買高能效的產品。

需要解決的一個關鍵領域是功率因數校正(PFC)級，包括電磁干擾(EMI)濾波器。

高能效不僅僅在單個點

對于任何與電源有關的應用，能效一直是個問題，也是制造商在其規格中規定的一個參數。然而，在過去高能效被認為是單個點盡可能最好的數字，通常在滿載的75%左右。

因此，制造商將注意力集中在這一負載水平，以提高他們所理解的產品能效。但實際上器件在這個功率水平上只工作一小部分時間。在實際應用中，特別是具有動態負載的應用中，這代表實際能效遠遠低于預期。

為了解決這種情況，現代能源標準考慮的是整個能效曲線的性能，而不僅僅是曲線上的最佳點。因此，設計人員正在研究如何設計電源轉換系統的關鍵器件，以在低負載和中等負載水平下工作得更好。最關鍵的一個領域是PFC級和EMI濾波器，二者共消耗高達8%的輸出功率。

PFC概述

電力公司的供電電壓總是正弦的，但線路電流的波形和相位取決于所供電的負載。對于最簡單的電阻負載，負載電流也是正弦的，并且在相位上使功率易于計算。

如果負載中有電抗元件，如電感或電容器，則負載電流保持正弦，但相移與電壓有關。在這種情況下，有功功率(也稱為“實際”或“平均”功率)像以前一樣計算，但要乘以相角(位移因子)的余弦。無功負載越多，有功功率越低。

非線性負載的情況更復雜，例如集成一個二極管橋和大輸入電容的典型開關電源的輸入級。在這里，電流是一系列浪涌尖峰，計算功率要使用傅里葉變換(Fourier transformation)。

圖1：無功負載(左)和非線性負載(右)的電壓(藍色)和電流(紅色)

平均兩個正弦波的乘積需要復雜的計算，只有當兩個波形具有相同的頻率時，才能給出一個非零的結果。但由此可以得出，只有基本分量才能提供真正的功率，而諧波只產生無用的循環電流。

與位移因子類似，失真因子模擬失真(非正弦)波形對實際功率的影響，將實際功率定義為均方根電壓、均方根電流和這兩個因子的乘積。進一步分析將表明總諧波失真(THD)。

實際上，系統的功率因數只是位移和失真因子的乘積，因此，真正的功率是均方根電壓、均方根電流和功率因數的乘積。

校正功率因數的實用方法

涉及PFC的主要標準是EN 61000-3-2 ，這是為了最小化從電網提供的任何電流的THD而編寫的，通過定義從第二次到第四十次的所有諧波的最大幅值來實現。PFC的要求也在其他文件中(例如能源之星規范Energy Star)有所提及，許多人認為這導致了PFC技術普遍用于許多應用。

到目前為止，用于滿足這些標準的最常見和最有效的PFC是有源PFC。一種典型的方法是在輸入整流橋和大電容器之間添加一個PFC預穩壓器，以提供恒定的電壓，同時確保電流波形是正弦的。

圖2：PFC在二極管橋和大電容器之間

這種方法除了明顯提高功率因數外，還有許多好處。從PFC階段的輸出通常是一個相當好調節的400 V，這使得下游轉換器的設計更容易，成本更低。另外，無脈沖電流降低了EMI濾波要求，減少了體積和成本.

然而，這種類型的PFC預轉換器不能達到100%的能效，因此，確實造成了系統損耗。在任何電源系統中，都有兩種主要類型的損耗，開關和導通。導通損耗是兩種損耗之和：一種由于橋二極管的正向電壓等因素與系統功率成正比，另一種與系統功率平方成正比，從而構成阻抗損耗如MOSFET的導通電阻。在較高的功率水平下，后者對能效的影響最大。

圖3：開關和導通損耗構成電源系統的總損耗

另一方面，開關損耗很大部分與電流成正比，因此與傳輸的功率成正比。而其它部分是恒定的，與系統的功率無關。它們是由寄生電容和電荷電流引起的，通常與系統的開關頻率成正比。隨著設計人員增加工作頻率以減少系統尺寸，開關損耗成為一個更大的挑戰，特別是在較低的功率水平下，它們在能效損耗中占相當大比例。

PFC控制方案

PFC的各種控制方案都是為了滿足不同系統的需要而開發的，但總目標都是降低輕載下的開關損耗和較重負載下的導通損耗。

如圖所示，有三種基本的控制方案。連續導通模式(CCM)在固定頻率工作和限制電感電流紋波，同時支持更高損耗。它通常用于較高功率系統(>300 W)。

臨界導通模式(CrM)在電感電流降到零時開始一個新的開關周期，從而可省去快速恢復二極管。這導致可變開關頻率具有較大紋波電流。這種簡單而低成本的方案廣泛用于包括照明在內的低功耗應用。隨著低導通電阻的MOSFET越來越普遍，CrM正用于更高功率的應用中。

圖4：初級單路PFC工作模式

頻率鉗位臨界導通模式(FCCrM)是在幾年前由安森美半導體推出的，用以限制CrM下的擴頻。在頻率最高的輕載下，工作模式改為非連續導通模式(DCM)，以降低開關損耗。額外的電路解決了DCM中典型的“死區時間”，從而確保當前的波形是正確的形狀。

安森美半導體提供廣泛的器件方案，包括功率因數控制器和電源開關，以及重要的設計資源，使設計人員有把握地開發PFC方案。