選擇正確的功率因數(shù)校正(PFC)拓?fù)?/h1>

發(fā)布時(shí)間:2008/5/28 0:00:00 訪問(wèn)次數(shù):393

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)膒fc段，并同時(shí)滿(mǎn)足其它高效能標(biāo)準(zhǔn)的要求及客戶(hù)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(mǎn)足高效能規(guī)范的要求，因此在近年來(lái)取得了好的發(fā)展。通過(guò)簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)和若干占用電容，此設(shè)計(jì)也附帶了一些優(yōu)勢(shì)。

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(lái)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(jiǎn)要概述。

圖1 pfc工作模式概述
　　a. 臨界導(dǎo)電模式 (crm) pfc - 由于控制的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)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(lái)，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(guò)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(zhuān)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(guò)濾的可變頻率和接近零交叉的高開(kāi)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(kāi)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(mǎn)足各種高能效標(biāo)準(zhǔn)。ncp1601 [3] 具有專(zhuān)利控制架構(gòu)，通過(guò)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(jiǎn)單且有效 - 110 vac 和滿(mǎn)載時(shí)的功率因數(shù)超過(guò)0.99且效率高達(dá) 94%。

　　圖2 ncp1601a dcm pfc 控制器用于100 w 應(yīng)用圖3 ncp1653 ccm pfc 控制器用于300 w應(yīng)用
　　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(chēng)的模擬乘法器，并需在控制集成電路周?chē)旁S多元件。隨著ncp1653(簡(jiǎn)單且穩(wěn)固的8引腳ccm pfc控制器)的推出，此方案得以簡(jiǎn)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%)。

圖3 ncp1653 ccm pfc 控制器用于300w 應(yīng)用

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(jiǎn)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(mǎn)載效率(請(qǐng)采用crm)；而如欲減少emi問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(yǔ)
　　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(lái)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。

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)膒fc段，并同時(shí)滿(mǎn)足其它高效能標(biāo)準(zhǔn)的要求及客戶(hù)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(mǎn)足高效能規(guī)范的要求，因此在近年來(lái)取得了好的發(fā)展。通過(guò)簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)和若干占用電容，此設(shè)計(jì)也附帶了一些優(yōu)勢(shì)。

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(lái)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(jiǎn)要概述。

圖1 pfc工作模式概述
　　a. 臨界導(dǎo)電模式 (crm) pfc - 由于控制的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)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(lái)，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(guò)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(zhuān)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(guò)濾的可變頻率和接近零交叉的高開(kāi)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(kāi)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(mǎn)足各種高能效標(biāo)準(zhǔn)。ncp1601 [3] 具有專(zhuān)利控制架構(gòu)，通過(guò)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(jiǎn)單且有效 - 110 vac 和滿(mǎn)載時(shí)的功率因數(shù)超過(guò)0.99且效率高達(dá) 94%。

　　圖2 ncp1601a dcm pfc 控制器用于100 w 應(yīng)用圖3 ncp1653 ccm pfc 控制器用于300 w應(yīng)用
　　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(chēng)的模擬乘法器，并需在控制集成電路周?chē)旁S多元件。隨著ncp1653(簡(jiǎn)單且穩(wěn)固的8引腳ccm pfc控制器)的推出，此方案得以簡(jiǎn)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%)。

圖3 ncp1653 ccm pfc 控制器用于300w 應(yīng)用

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(jiǎn)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(mǎn)載效率(請(qǐng)采用crm)；而如欲減少emi問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(yǔ)
　　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(lái)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。

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