引言:技術(shù)驅(qū)動(dòng)型社會(huì)對(duì)于生態(tài)的影響近來(lái)受到了極大關(guān)注,,這類(lèi)動(dòng)向經(jīng)常成為新聞?lì)^條,并影響政府決策。社會(huì)對(duì)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(gè)重要話題,,而所有的設(shè)計(jì)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(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的效率水平,,包括從輕載條件到滿(mǎn)負(fù)載情況。本文探討了如何更好地實(shí)施功率因數(shù)校正(PFC)來(lái)顯著提高效率,,還將詳細(xì)介紹一些為實(shí)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(gè)非常有新聞價(jià)值的話題,,全世界都認(rèn)識(shí)到向可再生能源轉(zhuǎn)移的重要性,而不是繼續(xù)依賴(lài)正在不斷耗盡且對(duì)環(huán)境有害的化石燃料,。政府機(jī)構(gòu)也試圖通過(guò)提高產(chǎn)品效率來(lái)限制能源成本的上漲,,這也經(jīng)常成為頭條新聞。隨著我們?cè)谌粘I畹母鱾€(gè)方面越來(lái)越多地使用各種技術(shù),,對(duì)于能源的需求也在不斷增加,。當(dāng)更大的絕對(duì)數(shù)量伴隨著單位成本的不斷上升,這會(huì)為消費(fèi)者帶來(lái)大量的能源費(fèi)用,,并影響商業(yè)能源用戶(hù)的預(yù)算,。
在許多情況下,無(wú)論是用于家庭還是商業(yè)用途,,能源效率正在成為購(gòu)買(mǎi)新設(shè)備的重要選擇標(biāo)準(zhǔn),。過(guò)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?yàn)樵O(shè)備很少在這個(gè)最佳點(diǎn)運(yùn)行,,實(shí)際效率低很多,因此導(dǎo)致較高的運(yùn)營(yíng)成本,。
為了解決這個(gè)問(wèn)題,,標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、行業(yè)協(xié)會(huì)和政府已經(jīng)制定了新標(biāo)準(zhǔn),,要求提供從輕載到滿(mǎn)載范圍內(nèi)的最低效率水平,。在功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員尋找滿(mǎn)足已經(jīng)實(shí)施法規(guī)指導(dǎo)方針時(shí),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(jí)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(duì)于簡(jiǎn)單的電阻性負(fù)載,PFC無(wú)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(shí)世界中,許多負(fù)載包含電感性或電容性元件,,被稱(chēng)為“無(wú)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(shí)際功率,。在這種情況下,,因?yàn)槟芰砍杀净谝曉诠β剩哂谒褂玫墓β?。?fù)載的無(wú)功功率越大,,表明電流和電壓之間相移越大,實(shí)際功率越低,。
為了計(jì)算實(shí)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(chēng)為“位移因子”,。當(dāng)器件的輸入級(jí)包含以非連續(xù)方式工作的元件時(shí),,例如為絕大多數(shù)現(xiàn)代電子設(shè)備供電的開(kāi)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(shí),,則存在諧波電流。這些電流在負(fù)載中循環(huán)但不會(huì)影響可用功率,,因此會(huì)降低效率,。為了在功率計(jì)算中表示這一點(diǎn),使用一個(gè)基于總諧波失真(THD)的 “失真因子”,。波形失真越多,,該因素就會(huì)對(duì)實(shí)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(huì)影響效率。然而,,相位差和/或波形失真越大,,實(shí)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(wú)功功率降低,,但在許多實(shí)際情況下,,這并不是一個(gè)可行的解決方案。例如,,電動(dòng)機(jī)必須具有繞組,,這些繞組本質(zhì)上就是無(wú)功功率。為了解決不良功率因數(shù)的影響,,設(shè)計(jì)人員通常會(huì)在SMPS的前端包含一個(gè)有源PFC級(jí),。考慮到廣泛的各種應(yīng)用和多種功率水平,,現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)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(guò)SMPS供電,,而不是直接來(lái)自電源電壓,。在這種情況下,一種稱(chēng)為臨界導(dǎo)通模式(CrM)的拓?fù)浼軜?gòu)很受業(yè)界喜愛(ài),,這種可變頻率方法僅在電流波形為零交叉(zero-crossing)時(shí)開(kāi)關(guān),,從而消除了反電動(dòng)勢(shì),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(duì)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(dòng)時(shí)進(jìn)行開(kāi)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(jì)人員能夠非常迅速地實(shí)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(zhuān)門(mén)針對(duì)照明應(yīng)用而設(shè)計(jì),,是一款整合有離線高PFC控制器和單/雙通道LED驅(qū)動(dòng)器的高集成度器件,。這些器件采用緊湊型TSSOP-16封裝,可針對(duì)各種連接照明設(shè)計(jì)實(shí)施優(yōu)化的兩級(jí)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(jì),。這些設(shè)計(jì)基于初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)(PSR)技術(shù),無(wú)需次級(jí)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(kāi)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(dòng)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(kāi)關(guān)頻率,,無(wú)需外部電流檢測(cè)電阻即可實(shí)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(gè)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(gè)負(fù)載范圍內(nèi)具有平坦的效率,,可以輕松滿(mǎn)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(shí)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(zhuān)門(mén)針對(duì)驅(qū)動(dòng)PFC升壓級(jí)而設(shè)計(jì)。它基于創(chuàng)新的谷值同步頻率折返(VSFF)技術(shù),,當(dāng)用戶(hù)可編程控制電壓超過(guò)閾值時(shí),,器件通常以CrM模式工作。在此值以下,,跳過(guò)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(shí)現(xiàn)接近統(tǒng)一的功率因數(shù),。NCP1622包含熱關(guān)斷,過(guò)壓保護(hù),,過(guò)流限制和欠壓檢測(cè)等許多安全功能,,該器件還能夠檢測(cè)并響應(yīng)故障,例如斷開(kāi)的反饋引腳,,開(kāi)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(cuò)式(interleaved)PFC控制器能夠提供更高的額定功率,。該器件采用TI專(zhuān)有的自然交錯(cuò)(Natural Interleaving)技術(shù),,兩個(gè)通道均能夠以相同頻率作為主設(shè)備運(yùn)行, 可為每個(gè)交錯(cuò)式通道提供更快的響應(yīng)時(shí)間,,更好的相間導(dǎo)通時(shí)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(shí)實(shí)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(lèi)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(guò)WEBENCH電源設(shè)計(jì)軟件提供各種支持,。
總結(jié)
對(duì)于需要確定,、購(gòu)買(mǎi)或運(yùn)營(yíng)電力系統(tǒng)的任何人來(lái)說(shuō),他們總是希望在能源價(jià)格上漲的背景下更有效地管理運(yùn)營(yíng)成本,,因而效率永遠(yuǎn)是一個(gè)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??紤]到這一實(shí)際情況以及滿(mǎn)足近乎統(tǒng)一的PFC需求,,并確保功率不會(huì)浪費(fèi),所有這些為電源設(shè)計(jì)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(jì)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(mǎn)足最新能效標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求,。