選擇正確的功率因數(shù)校正(PFC)拓?fù)?/h1>
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作者：安森美半導(dǎo)體電源技術(shù)市場總監(jiān) Dhaval Dalal
時(shí)間：2005-12-24
來源：電子產(chǎn)品世界
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引言
隨著減小諧波標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用，更多的電源設(shè)計(jì)結(jié)合了功率因數(shù)校正 (PFC) 功能。設(shè)計(jì)人員面對(duì)著實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腜FC段，并同時(shí)滿足其它高效能標(biāo)準(zhǔn)的要求及客戶預(yù)期成本的艱巨任務(wù)。許多新型PFC拓?fù)浜驮x擇的涌現(xiàn)，有助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化其特定應(yīng)用要求的設(shè)計(jì)。
由于有源PFC設(shè)計(jì)可以讓設(shè)計(jì)人員以最少的精力滿足高效能規(guī)范的要求，因此在近年來取得了好的發(fā)展。通過簡化主功率轉(zhuǎn)換段的設(shè)計(jì)和減少元件數(shù)目，包括用于通用操作的波段轉(zhuǎn)換開關(guān)和若干占用電容，此設(shè)計(jì)也附帶了一些優(yōu)勢。
拓?fù)溥x擇
由于輸入端存在電感，升壓轉(zhuǎn)換器是提供達(dá)至高功率因數(shù)的方法。此電感使輸入電流整形與線路電壓同相。但是，可以采用不同的方案來控制電感電流的瞬時(shí)值，以獲得功率因數(shù)校正。圖1為這些方案的簡要概述。
a. 臨界導(dǎo)電模式 (CRM) PFC - 由于控制的設(shè)計(jì)較為簡單，而且可與較低速升壓二極管配合使用，所以在較低功率應(yīng)用中通常采用這方法。近年來，此方法獲創(chuàng)新的改進(jìn)，提升了效率，MC33260 PFC 控制器提供跟隨升壓選項(xiàng)，通過使升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓隨著線路電壓的變化而變化，降低了33%的 MOSFET 導(dǎo)電損耗，減小了43%的升壓電感尺寸。此外，專為CRM和DCM應(yīng)用而設(shè)計(jì)的升壓二極管可提供更佳的正向壓降(MUR450, MUR550)。然而，CRM PFC仍受到一些限制，如較難過濾的可變頻率和接近零交叉的高開關(guān)頻率。
b. 不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM) PFC -此創(chuàng)新的方案延承了CRM的優(yōu)點(diǎn)，并消除了若干限制，安森美半導(dǎo)體的NCP1601 DCM/CRM控制器便是一例。此器件可完全在DCM中工作并保持恒頻，也可以部分在CRM模式中工作。在第二種情況下，峰值電流與CRM維持在同一水平，但最高頻率明顯降低，減輕了濾波負(fù)擔(dān)。降低開關(guān)頻率的另一大優(yōu)點(diǎn)是有助降低輕載或空載功耗，以滿足各種高能效標(biāo)準(zhǔn)。NCP1601 [3] 具有專利控制架構(gòu)，通過模式轉(zhuǎn)換保持PFC，提供比其它方法更為卓越的性能。圖2顯示了NCP1601A在100 W中的應(yīng)用，這種方法簡單且有效 - 110 Vac 和滿載時(shí)的功率因數(shù)超過0.99且效率高達(dá) 94%。
c. 連續(xù)導(dǎo)電模式 (CCM) PFC - 由于這種方案恒頻且峰值電流較小，是較高功率 (>250 W) 應(yīng)用的首選方案。但是，傳統(tǒng)的控制解決方案較為復(fù)雜，牽涉到多個(gè)環(huán)路，以及以不精確著稱的模擬乘法器，并需在控制集成電路周圍放許多元件。隨著NCP1653(簡單且穩(wěn)固的8引腳CCM PFC控制器)的推出，此方案得以簡化。NCP1653并提供全套保護(hù)特性和跟隨升壓功能。如圖3所示，雖然NCP1653所需元件極少，但其性能卻并不比任何CCM 控制器遜色 (110 Vac, 300 W 時(shí)的THD為4 %，效率高達(dá)93%)。
選擇標(biāo)準(zhǔn)
既然實(shí)行功率因數(shù)校正有多種新興方案可供選擇，那么應(yīng)該如何決定選擇哪種方案呢？ 以下是簡要的指南，幫助設(shè)計(jì)人員選擇適合的方案。詳細(xì)指南可參閱安森美半導(dǎo)體的PFC 手冊(cè)。
1. 功率水平
a. 如果功率水平低于150 W，最好采用CRM或DCM方案。至於__CRM或DCM，取決于你是想優(yōu)化滿載效率(請(qǐng)采用CRM)；而如欲減少EMI問題(請(qǐng)選擇DCM)。如上所述，NCP1601提供集兩種方案優(yōu)點(diǎn)于一身的極佳選擇方案。
b. 如功率水平高于250 W，CCM是首選方案。此方案雖然可保持峰值電流和RMS電流，但必須解決二極管反向恢復(fù)問題。
c. 如功率水平在150 W與250 W之間，方案的選擇則取決于設(shè)計(jì)人員的磁件設(shè)計(jì)水平(CRM和DCM方案的升壓電感更具挑戰(zhàn)性)，但CCM方案雖然較為昂貴，但較有把握。隨著NCP1653的推出，成本問題已獲解決。
2. 其它系統(tǒng)要求：拓?fù)涞倪x擇還取決于其它系統(tǒng)要求。例如，如果需要使系統(tǒng)中的頻率同步，則不能采用CRM。此外，如果第二個(gè)功率段可處理較大范圍(在某些功率序列安排中可能需要)的輸入電壓，則應(yīng)選擇跟隨升壓。最后，如果電源的輸出電壓未有嚴(yán)格規(guī)定，則最好采用NCP1651提供的單段隔離PFC解決方案。
結(jié)語
設(shè)計(jì)人員可試驗(yàn)各種功率因數(shù)校正方案，以選擇適合其應(yīng)用的最佳方案。利用易用的設(shè)計(jì)工具可以快速順利地完成此任務(wù)。隨著世界各地監(jiān)管機(jī)構(gòu)日益加強(qiáng)能源監(jiān)管的參與力度以及全球化步伐進(jìn)一步加快，將有越來越多的系統(tǒng)需采用PFC電路。在此情況下，設(shè)計(jì)人員必須熟悉各種可選方案，以選擇最適合其應(yīng)用的方案。
參考文獻(xiàn)：
1. Olivier Meilhon, Kristie Valdez, Dhaval Dalal, Power factor correction handbook, HBD853/D Rev. 2, Aug 2004, http://www.onsemi.com/pub/Collateral/ HBD853-D.PDF
2. O. Meilhon, "Computer Design Aid greatly simplifies the design of Power Factor Converters", 2005年3月PCIM-China會(huì)上發(fā)布/出版。 1
3. Joel Turchi, "A Novel Scheme for Current Shaping Circuits Yields Unity Power Factor in Fixed Frequency and Discontinuous Conduction Mode", PCIM Europe，2004年5月號(hào)。
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引言
隨著減小諧波標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用，更多的電源設(shè)計(jì)結(jié)合了功率因數(shù)校正 (PFC) 功能。設(shè)計(jì)人員面對(duì)著實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腜FC段，并同時(shí)滿足其它高效能標(biāo)準(zhǔn)的要求及客戶預(yù)期成本的艱巨任務(wù)。許多新型PFC拓?fù)浜驮x擇的涌現(xiàn)，有助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化其特定應(yīng)用要求的設(shè)計(jì)。
由于有源PFC設(shè)計(jì)可以讓設(shè)計(jì)人員以最少的精力滿足高效能規(guī)范的要求，因此在近年來取得了好的發(fā)展。通過簡化主功率轉(zhuǎn)換段的設(shè)計(jì)和減少元件數(shù)目，包括用于通用操作的波段轉(zhuǎn)換開關(guān)和若干占用電容，此設(shè)計(jì)也附帶了一些優(yōu)勢。
拓?fù)溥x擇
由于輸入端存在電感，升壓轉(zhuǎn)換器是提供達(dá)至高功率因數(shù)的方法。此電感使輸入電流整形與線路電壓同相。但是，可以采用不同的方案來控制電感電流的瞬時(shí)值，以獲得功率因數(shù)校正。圖1為這些方案的簡要概述。
a. 臨界導(dǎo)電模式 (CRM) PFC - 由于控制的設(shè)計(jì)較為簡單，而且可與較低速升壓二極管配合使用，所以在較低功率應(yīng)用中通常采用這方法。近年來，此方法獲創(chuàng)新的改進(jìn)，提升了效率，MC33260 PFC 控制器提供跟隨升壓選項(xiàng)，通過使升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓隨著線路電壓的變化而變化，降低了33%的 MOSFET 導(dǎo)電損耗，減小了43%的升壓電感尺寸。此外，專為CRM和DCM應(yīng)用而設(shè)計(jì)的升壓二極管可提供更佳的正向壓降(MUR450, MUR550)。然而，CRM PFC仍受到一些限制，如較難過濾的可變頻率和接近零交叉的高開關(guān)頻率。
b. 不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM) PFC -此創(chuàng)新的方案延承了CRM的優(yōu)點(diǎn)，并消除了若干限制，安森美半導(dǎo)體的NCP1601 DCM/CRM控制器便是一例。此器件可完全在DCM中工作并保持恒頻，也可以部分在CRM模式中工作。在第二種情況下，峰值電流與CRM維持在同一水平，但最高頻率明顯降低，減輕了濾波負(fù)擔(dān)。降低開關(guān)頻率的另一大優(yōu)點(diǎn)是有助降低輕載或空載功耗，以滿足各種高能效標(biāo)準(zhǔn)。NCP1601 [3] 具有專利控制架構(gòu)，通過模式轉(zhuǎn)換保持PFC，提供比其它方法更為卓越的性能。圖2顯示了NCP1601A在100 W中的應(yīng)用，這種方法簡單且有效 - 110 Vac 和滿載時(shí)的功率因數(shù)超過0.99且效率高達(dá) 94%。
c. 連續(xù)導(dǎo)電模式 (CCM) PFC - 由于這種方案恒頻且峰值電流較小，是較高功率 (>250 W) 應(yīng)用的首選方案。但是，傳統(tǒng)的控制解決方案較為復(fù)雜，牽涉到多個(gè)環(huán)路，以及以不精確著稱的模擬乘法器，并需在控制集成電路周圍放許多元件。隨著NCP1653(簡單且穩(wěn)固的8引腳CCM PFC控制器)的推出，此方案得以簡化。NCP1653并提供全套保護(hù)特性和跟隨升壓功能。如圖3所示，雖然NCP1653所需元件極少，但其性能卻并不比任何CCM 控制器遜色 (110 Vac, 300 W 時(shí)的THD為4 %，效率高達(dá)93%)。
選擇標(biāo)準(zhǔn)
既然實(shí)行功率因數(shù)校正有多種新興方案可供選擇，那么應(yīng)該如何決定選擇哪種方案呢？ 以下是簡要的指南，幫助設(shè)計(jì)人員選擇適合的方案。詳細(xì)指南可參閱安森美半導(dǎo)體的PFC 手冊(cè)。
1. 功率水平
a. 如果功率水平低于150 W，最好采用CRM或DCM方案。至於__CRM或DCM，取決于你是想優(yōu)化滿載效率(請(qǐng)采用CRM)；而如欲減少EMI問題(請(qǐng)選擇DCM)。如上所述，NCP1601提供集兩種方案優(yōu)點(diǎn)于一身的極佳選擇方案。
b. 如功率水平高于250 W，CCM是首選方案。此方案雖然可保持峰值電流和RMS電流，但必須解決二極管反向恢復(fù)問題。
c. 如功率水平在150 W與250 W之間，方案的選擇則取決于設(shè)計(jì)人員的磁件設(shè)計(jì)水平(CRM和DCM方案的升壓電感更具挑戰(zhàn)性)，但CCM方案雖然較為昂貴，但較有把握。隨著NCP1653的推出，成本問題已獲解決。
2. 其它系統(tǒng)要求：拓?fù)涞倪x擇還取決于其它系統(tǒng)要求。例如，如果需要使系統(tǒng)中的頻率同步，則不能采用CRM。此外，如果第二個(gè)功率段可處理較大范圍(在某些功率序列安排中可能需要)的輸入電壓，則應(yīng)選擇跟隨升壓。最后，如果電源的輸出電壓未有嚴(yán)格規(guī)定，則最好采用NCP1651提供的單段隔離PFC解決方案。
結(jié)語
設(shè)計(jì)人員可試驗(yàn)各種功率因數(shù)校正方案，以選擇適合其應(yīng)用的最佳方案。利用易用的設(shè)計(jì)工具可以快速順利地完成此任務(wù)。隨著世界各地監(jiān)管機(jī)構(gòu)日益加強(qiáng)能源監(jiān)管的參與力度以及全球化步伐進(jìn)一步加快，將有越來越多的系統(tǒng)需采用PFC電路。在此情況下，設(shè)計(jì)人員必須熟悉各種可選方案，以選擇最適合其應(yīng)用的方案。
參考文獻(xiàn)：
1. Olivier Meilhon, Kristie Valdez, Dhaval Dalal, Power factor correction handbook, HBD853/D Rev. 2, Aug 2004, http://www.onsemi.com/pub/Collateral/ HBD853-D.PDF
2. O. Meilhon, "Computer Design Aid greatly simplifies the design of Power Factor Converters", 2005年3月PCIM-China會(huì)上發(fā)布/出版。 1
3. Joel Turchi, "A Novel Scheme for Current Shaping Circuits Yields Unity Power Factor in Fixed Frequency and Discontinuous Conduction Mode", PCIM Europe，2004年5月號(hào)。
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評(píng)論