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??? 功率因數(shù)校正(PFC)是電源設計人員面臨的重要任務,。根據(jù)IEC61000-3-2諧波標準中的D類規(guī)定,，功率在75 W以上的個人計算機和電視機等電子系統(tǒng)的電源要進行功率因數(shù)校正。

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??? 根據(jù)輸入電流控制原理的不同,，PFC可以分為不同的類型,，如臨界導電模式(CrM),、不連續(xù)導電模式(DCM),、連續(xù)導電模式(CCM)和頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM)等,。CrM的的主要特征是電流有效值(RMS)大，開關頻率不固定,，常用于需要簡單控制方案的照明和交流適配器等低功率應用,，典型解決方案如安森美半導體NCP1606；DCM的主要特征是電流有效值最高,，線圈電感較低及穩(wěn)定性最佳,，常見于中低功率應用；CCM的主要特征是總是硬開關,，電感值最大,，電流有效值最小，在較高功率(>300 W)應用中特別受到青睞,，典型解決方案如安森美半導體NCP1654,；FCCrM的主要特征是電流有效值大，頻率被限制,，線圈電感較小,，在中等功率條件下具有極高能效，典型解決方案如安森美半導體NCP1605,。

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??? 值得一提的是,，F(xiàn)CCrM可以視作帶有頻率鉗位功能(由振蕩器設定)的臨界導電模式，綜合了CrM和DCM的優(yōu)點：DCM限制最大開關頻率,，而CrM降低最大電流應力,。總的來看,，F(xiàn)CCrM解決方案似乎擁有最高的能效,。

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新的應用需求為PFC提出更高要求

??? 一些新的應用需求推動著業(yè)界開發(fā)新的PFC技術。這其中頗為受人矚目的就是新興的能效標準要求計算機ATX電源具有越來越高的能效,。例如,，80 PLUS銀級標準(等同于“能源之星”5.0版計算機電源標準及CSCI標準第三階段目標)要求，到2010年6月,，多路輸出ATX電源在20%,、50%和100%負載條件的能效分別達到85%、88%和85%,，詳見表1所示,。

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??? 要提高ATX電源能效，以滿足最新能效標準的更高要求,，重要的是以系統(tǒng)性的途徑來分析功率損耗來源,，并針對性地降低功率損耗,。通常而言，我們可以將ATX電源分為PFC段,、主開關電源段和次轉(zhuǎn)換器段,。以常見的75%能效ATX電源為例，據(jù)測算,，PFC段的損耗要占總損耗的40%,。因此，將PFC段的能效提至最高,，有利于實現(xiàn)更高的系統(tǒng)總能效,。這就需要優(yōu)化PFC控制器及其工作模式與其它元器件的選擇。

表1：80 PLUS等能效標準對多路輸出ATX電源的能效要求 ??

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??? 此外,，液晶電視市場近年來高速發(fā)展,，而纖薄型設計則為液晶電視提供特別的賣點，受到消費者的青睞,。最新的液晶電視設計更是趨向于將厚度降至10 mm以下,，這就使元器件高度受到嚴格限制，設計人員必須盡可能采用更小型的元器件,，并降低安裝高度,。PFC段同樣受到這方面的制約，值得一提的是,，縮小PFC段元器件能夠幫助系統(tǒng)降低高度,。

??? 在這些背景下，一些新的PFC拓撲結(jié)構已經(jīng)開始涌現(xiàn)和應用,。其中尤以交錯式PFC和無橋PFC為典型,。我們將探討這兩種新PFC拓撲結(jié)構的特征、解決方案及性能測試結(jié)果,。

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交錯式PFC的優(yōu)勢及解決方案

??? 交錯式PFC的主要想法是在原本放置單個較大功率PFC的地方并行放置兩個功率為一半的較小功率的PFC,，參見圖1。這兩個較小功率PFC以180°的相移交替工作,，它們在輸入端或輸出端累加時,，每相電流紋波的主要部分將抵消。雖然交錯式PFC使用較多的元器件,，但其好處也很明顯,，如150 W的PFC就比300 W的PFC更易于設計，便于采用模塊化的方案,，且兩個DCM PFC就像一個CCM PFC轉(zhuǎn)換器,，這就簡化電磁干擾(EMI)濾波，并減小輸入電流有效值。特別是采用兩個較小PFC的設計能夠支持厚度低至10 mm的超薄型液晶電視設計,，且能效極高,。

圖1：采用兩顆NCP1601 PFC控制器實現(xiàn)的交錯式PFC架構的功能框圖。

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??? 交錯式PFC有兩種具體實現(xiàn)方案：一為主/從(Master/Slave)方案,，一為獨立相位(Independent Phases)方案,。主/從方案指主分支自由工作，而從分支相對于主分支180°相移工作,。主/從方案的主要挑戰(zhàn)在于保持在CrM工作模式(沒有CCM模式,，沒有死區(qū)),。

??? 獨立相位方案指每個相位都恰當?shù)毓ぷ髟贑rM或FCCrM模式,，而兩個分支相互配合以設定180°相移。獨立相位方案的主要挑戰(zhàn)是保持準確的相移,。安森美半導體的雙NCP1601交錯式PFC方案是一種獨特的FCCrM方案,，適合輸入電壓范圍較寬的應用。在這種方案中,，2顆NCP1601驅(qū)動2個獨立的PFC分支,，這2個分支具有相同的導通時間因而具有相同的開關周期，它們同步但彼此獨立工作,，從而保證DCM工作模式(零電流檢測),，沒有CCM工作風險，且在滿載時兩個分支都進入CrM工作模式,。

圖2：安森美半導體雙NCP1601交錯式PFC方案在不同負載范圍下的能效,。

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??? 對基于安森美半導體NCP1601交錯式PFC方案的寬輸入范圍、300 W PFC預轉(zhuǎn)換器進行的測試顯示,，這解決方案在很寬的負載范圍內(nèi)(從20%到100%),、90 Vrms電壓條件下實現(xiàn)95%的能效，如圖2所示,。

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無橋PFC的優(yōu)勢及解決方案

??? 傳統(tǒng)有源PFC中,，交流輸入經(jīng)過EMI濾波后會經(jīng)過二極管橋整流器，但在整流過程中存在功率耗散,，其中既包括前端整流橋中兩個二極管導通壓降帶來的損耗,，也包括升壓轉(zhuǎn)換器中功率開關管或續(xù)流二極管的導通損耗。據(jù)測算,，在低壓市電應用(@90 Vrms)中,，二極管橋會浪費大約2%的能效。有鑒于此,，近年來業(yè)界提出了無橋PFC拓撲結(jié)構,。實際上，如果去掉二極管整流橋,，由此帶來的能效提升效果很明顯,。這種PFC電路采用1只電感,、兩只功率MOSFET和兩只快恢復二極管組成。

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??? 對于工頻交流輸入的正負半周期而言,，這種無橋升壓電路可以等效為兩個電源電壓相反的升壓電路的組合,。其中左邊的藍色方框是PH1為高電平、MOSFET開關管M2關閉時的開關單元,，右邊的橙色方框是PH2為高電平,、MOSFET開關管M1關閉時的開關單元。當PH1為高電平,、PH2為低電平時,，電路工作在正半周期，這時M2相當于體二極管(body diode),，PH2通過M2接地,；而當PH1為低電平、PH2為高電平時,，電路工作在負半周期,，這時M1相當于體二極管，PH1通過M1接地,。

圖3：傳統(tǒng)的無橋PFC結(jié)構示意圖,。

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??? 相對于傳統(tǒng)PFC段而言，這種無橋PFC節(jié)省了由二極管整流橋?qū)е碌膿p耗,，但不工作MOSFET的體二極管傳遞線圈電流,。最終，這種結(jié)構消除了線路電流通道中一個二極管的壓降,，提升了能效,。但實際上，這種架構也存在幾處不便,，因為交流線路電壓不像傳統(tǒng)PFC那樣對地參考,，而是相對于PFC段接地而浮動，這就需要特定的PFC控制器來感測交流輸入電壓,，而這種結(jié)構中的簡單電路并不能完成這項任務,。這種架構也不能方便地監(jiān)測線圈電流。 此外,，EMI濾波也是一個主要問題,。

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??? 圖4是Ivo Barbi無橋升壓PFC架構的新穎解決方案，這種方案中沒有全橋,，相反,，PFC電路的地通過二極管D1和D2連接至交流線路，且每個端子用于1個PFC段。故這種解決方案可視作2相PFC,，其中2個分支并聯(lián)工作,。這種架構也省下了電流通道中的一個二極管，并因此提升了能效,。這種2相式架構并不需要特定的PFC控制器,，具有增強的熱性能，且負相總是接地,，解決了EMI問題,。

圖4：改進的Ivo Barbi無橋升壓PFC架構

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??? 安森美半導體基于這種架構開發(fā)了800 W PFC段的原型。這原型采用NCP1653 PFC控制器及MC33152 MOSFET驅(qū)動器,。經(jīng)測試,，這原型在90 Vrms、滿載,、無風扇(機箱打開,，室 溫)條件下的能效達94%，而在100 Vrms時達95%,。在20%負載時能效更接近或超過96%。這種無橋PFC架構將是適合大功率應用的一種高能效解決方案,。

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總結(jié)：

??? 交錯式PFC和無橋PFC等新穎拓撲結(jié)構的先進PFC技術可用于滿足功率大于75 W電源的新趨勢,，有利于設計厚度低至10 mm以下的超薄型液晶電視，及滿足80 PLUS等能效標準越來越高的要求,。安森美半導體身為全球領先的高性能,、高能效硅解決方案供應商，提供基于NCP1601的交錯式PFC和基于NCP1653的無橋PFC等創(chuàng)新解決方案,，具有小外形因數(shù),，適用于緊湊型設計，并減少PFC段的功率損耗,，提供極高的能效,，符合嚴苛的能效標準要求，幫助客戶在市場競爭中占據(jù)先機,。

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