引言：技術(shù)驅(qū)動型社會對于生態(tài)的影響近來受到了極大關(guān)注，這類動向經(jīng)常成為新聞頭條，并影響政府決策。社會對可用能源的需求在不斷增加，而相關(guān)成本繼續(xù)上升。因此，制造具有更高功率效率的電子系統(tǒng)是一個重要話題，而所有的設(shè)計決策現(xiàn)在基本都在圍繞這一目標(biāo)。最新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不僅要適用于特定的應(yīng)用條件，而且要求更準(zhǔn)確地反映整個負(fù)載范圍內(nèi)的效率水平，包括從輕載條件到滿負(fù)載情況。本文探討了如何更好地實施功率因數(shù)校正（PFC）來顯著提高效率，還將詳細(xì)介紹一些為實現(xiàn)該目標(biāo)而推出的下一代PFC控制器IC。
如今，能源是一個非常有新聞價值的話題，全世界都認(rèn)識到向可再生能源轉(zhuǎn)移的重要性，而不是繼續(xù)依賴正在不斷耗盡且對環(huán)境有害的化石燃料。政府機(jī)構(gòu)也試圖通過提高產(chǎn)品效率來限制能源成本的上漲，這也經(jīng)常成為頭條新聞。隨著我們在日常生活的各個方面越來越多地使用各種技術(shù)，對于能源的需求也在不斷增加。當(dāng)更大的絕對數(shù)量伴隨著單位成本的不斷上升，這會為消費(fèi)者帶來大量的能源費(fèi)用，并影響商業(yè)能源用戶的預(yù)算。
在許多情況下，無論是用于家庭還是商業(yè)用途，能源效率正在成為購買新設(shè)備的重要選擇標(biāo)準(zhǔn)。過去，制造商引用的“最佳可能”效率數(shù)據(jù)在某種程度上誤導(dǎo)了消費(fèi)者，因為設(shè)備很少在這個最佳點(diǎn)運(yùn)行，實際效率低很多，因此導(dǎo)致較高的運(yùn)營成本。
為了解決這個問題，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、行業(yè)協(xié)會和政府已經(jīng)制定了新標(biāo)準(zhǔn)，要求提供從輕載到滿載范圍內(nèi)的最低效率水平。在功率系統(tǒng)設(shè)計人員尋找滿足已經(jīng)實施法規(guī)指導(dǎo)方針時，他們將重點(diǎn)放在功率因數(shù)校正（PFC）層面， 并將其視為可以節(jié)省成本的所在。一些估算表明，PFC級加上EMI濾波器，可以消耗接近系統(tǒng)有用功率的十分之一。
為什么PFC很重要？
對于簡單的電阻性負(fù)載，PFC無關(guān)緊要，其中電流和電壓波形同相，功率是這兩者的乘積，所有有用功率都傳輸?shù)截?fù)載。然而，在現(xiàn)實世界中，許多負(fù)載包含電感性或電容性元件，被稱為“無功功率（reactive）”或“復(fù)功率（complex）”。這些復(fù)雜的負(fù)載導(dǎo)致電流和電壓之間產(chǎn)品相移，從而降低負(fù)載可用的實際功率。在這種情況下，因為能量成本基于視在功率，高于所使用的功率。負(fù)載的無功功率越大，表明電流和電壓之間相移越大，實際功率越低。
為了計算實際功率，視在功率必須乘以電壓和電流之間相位角之差的余弦，這被稱為“位移因子”。當(dāng)器件的輸入級包含以非連續(xù)方式工作的元件時，例如為絕大多數(shù)現(xiàn)代電子設(shè)備供電的開關(guān)模式電源（SMPS）中的二極管橋，則情況再次發(fā)生變化。
當(dāng)電流波形從正弦波變?yōu)橐幌盗屑夥鍟r，則存在諧波電流。這些電流在負(fù)載中循環(huán)但不會影響可用功率，因此會降低效率。為了在功率計算中表示這一點(diǎn)，使用一個基于總諧波失真（THD）的 “失真因子”。波形失真越多，該因素就會對實際功率產(chǎn)生越不利的影響。
從數(shù)學(xué)方面，任何系統(tǒng)的功率因數(shù)（PF）都是位移因子和失真因子的乘積。這意味著如果電流波形是正弦波并且與電壓同相，則不會影響效率。然而，相位差和/或波形失真越大，實際功率越低。
PFC背后的技術(shù)
管理系統(tǒng)功率因數(shù)的一種方法是使負(fù)載的無功功率降低，但在許多實際情況下，這并不是一個可行的解決方案。例如，電動機(jī)必須具有繞組，這些繞組本質(zhì)上就是無功功率。為了解決不良功率因數(shù)的影響，設(shè)計人員通常會在SMPS的前端包含一個有源PFC級?？紤]到廣泛的各種應(yīng)用和多種功率水平，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了許多種PFC控制方案。LED技術(shù)在許多應(yīng)用中已經(jīng)取代了傳統(tǒng)燈泡，因此我們的照明更多是通過SMPS供電，而不是直接來自電源電壓。在這種情況下，一種稱為臨界導(dǎo)通模式（CrM）的拓?fù)浼軜?gòu)很受業(yè)界喜愛，這種可變頻率方法僅在電流波形為零交叉（zero-crossing）時開關(guān)，從而消除了反電動勢，并不再需要快速恢復(fù)二極管。
另一種廣泛采用的技術(shù)是連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），主要針對功率水平高于300W的更高功率系統(tǒng)。它以固定頻率工作，并且當(dāng)電流流動時進(jìn)行開關(guān)，需要快速恢復(fù)二極管。
這些技術(shù)已經(jīng)用于眾多半導(dǎo)體供應(yīng)商的PFC控制器，使設(shè)計人員能夠非常迅速地實施PFC解決方案。某些供應(yīng)商甚至提供更復(fù)雜的方法，其中一些能夠根據(jù)負(fù)載條件而改變傳導(dǎo)模式，從而確保最高水平的效率。
現(xiàn)代PFC解決方案
Diodes公司的AL1771/AL1772專門針對照明應(yīng)用而設(shè)計，是一款整合有離線高PFC控制器和單/雙通道LED驅(qū)動器的高集成度器件。這些器件采用緊湊型TSSOP-16封裝，可針對各種連接照明設(shè)計實施優(yōu)化的兩級拓?fù)浼軜?gòu)，尤其是單通道可調(diào)光和雙通道可調(diào)白光LED設(shè)計。這些設(shè)計基于初級側(cè)調(diào)節(jié)（PSR）技術(shù)，無需次級反饋即可運(yùn)行，因此它們不需要光耦合器，從而節(jié)省空間和物料清單成本。這些器件在準(zhǔn)諧振（QR）模式下工作，MOSFET在漏極電壓的谷底處導(dǎo)通，能夠最大限度地降低開關(guān)損耗，從而提高了效率。
Power Integrations的 HiperPFS-4系列PFC控制器則定位于較高功率應(yīng)用，這些IC均在單一封裝中集成了CCM升壓PFC控制器、柵極驅(qū)動器和600V功率MOSFET，可以進(jìn)行垂直或水平安裝。HiperPFS-4器件采用創(chuàng)新的控制技術(shù)，可在輸出負(fù)載、輸入線電壓和輸入線路周期內(nèi)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，無需外部電流檢測電阻即可實現(xiàn)高效率，并消除了相關(guān)的功率損耗。
這種控制技術(shù)不僅可以在整個負(fù)載范圍內(nèi)最大限度地提高效率，而且由于它具有高帶寬擴(kuò)頻效應(yīng)，還可以最大限度地降低EMI濾波要求。雖然HiperPFS-4器件的主要核心仍然是模擬技術(shù)，但線路監(jiān)控、前饋縮放（feed-forward scaling）和功率因數(shù)增強(qiáng)等關(guān)鍵功能都采用數(shù)字技術(shù)，大大降低了空載功耗。這些IC在整個負(fù)載范圍內(nèi)具有平坦的效率，可以輕松滿足EN61000-3-2 Class C/D等現(xiàn)代效率標(biāo)準(zhǔn)。這些器件還可在低負(fù)載（20％）下實現(xiàn)高功率因數(shù)（>0.95），使其適用于LCD TV、筆記本電腦、電機(jī)、風(fēng)扇和LED照明等應(yīng)用。
圖1：Power Integrations的HiperPFS-4。
圖2：德州儀器（TI）的UCC28064A PFC控制器IC。
安森美半導(dǎo)體的NCP1622是一款增強(qiáng)型PFC控制器，專門針對驅(qū)動PFC升壓級而設(shè)計。它基于創(chuàng)新的谷值同步頻率折返（VSFF）技術(shù)，當(dāng)用戶可編程控制電壓超過閾值時，器件通常以CrM模式工作。在此值以下，跳過功能可降低頻率直到控制電壓達(dá)到閾值。VSFF能夠確保在輕載和額定載荷下具有最高效率水平，特別是能夠減少待機(jī)損耗。即使在較低的工作頻率下，NCP1622也可以實現(xiàn)接近統(tǒng)一的功率因數(shù)。NCP1622包含熱關(guān)斷，過壓保護(hù)，過流限制和欠壓檢測等許多安全功能，該器件還能夠檢測并響應(yīng)故障，例如斷開的反饋引腳，開路接地引腳或短路旁路二極管等等。NCP1622適用于所有需要PFC的離線應(yīng)用以及PC電源和照明鎮(zhèn)流器（LED和熒光燈）等應(yīng)用。
德州儀器（TI）的UCC28064A交錯式（interleaved）PFC控制器能夠提供更高的額定功率。該器件采用TI專有的自然交錯（Natural Interleaving）技術(shù)，兩個通道均能夠以相同頻率作為主設(shè)備運(yùn)行， 可為每個交錯式通道提供更快的響應(yīng)時間，更好的相間導(dǎo)通時間匹配（phase-to-phase on-time matching）和轉(zhuǎn)換模式運(yùn)行。UCC28064A具有可調(diào)節(jié)閾值的內(nèi)置突發(fā)模式功能，可在輕負(fù)載時實現(xiàn)高效率，從而能夠確保符合EUP Lot6 Tier II、CoC Tier II和DOE Level VI等具有挑戰(zhàn)性的待機(jī)功率標(biāo)準(zhǔn)。UCC28064A適用于所有類型的電視、一體式電腦、家庭音響系統(tǒng)和電源適配器等應(yīng)用。德州儀器（TI）通過WEBENCH電源設(shè)計軟件提供各種支持。
總結(jié)
對于需要確定、購買或運(yùn)營電力系統(tǒng)的任何人來說，他們總是希望在能源價格上漲的背景下更有效地管理運(yùn)營成本，因而效率永遠(yuǎn)是一個至關(guān)重要的話題。隨著能源標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進(jìn)，他們正在更加關(guān)注待機(jī)功率和輕載效率，以往這兩種情況下通常意味著性能顯著降低。考慮到這一實際情況以及滿足近乎統(tǒng)一的PFC需求，并確保功率不會浪費(fèi)，所有這些為電源設(shè)計人員提出了一系列復(fù)雜的挑戰(zhàn)。然而，就高集成度和先進(jìn)的PFC控制IC而言，設(shè)計人員可以有多種選擇方案，這些方案集成了許多創(chuàng)新的技術(shù)和特性，能夠滿足最新能效標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求。