如何選擇功率因數校正（PFC）拓撲？

引言

隨著減小諧波標準的廣泛應用，更多的電源設計結合了功率因數校正 (PFC) 功能。設計人員面對著實現適當的PFC段，并同時滿足其它高效能標準的要求及客戶預期成本的艱巨任務。許多新型PFC拓撲和元件選擇的涌現，有助設計人員優化其特定應用要求的設計。

由于有源PFC設計可以讓設計人員以最少的精力滿足高效能規范的要求，因此在近年來取得了好的發展。通過簡化主功率轉換段的設計和減少元件數目，包括用于通用操作的波段轉換開關和若干占用電容，此設計也附帶了一些優勢。

拓撲選擇

由于輸入端存在電感，升壓轉換器是提供達至高功率因數的方法。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值，以獲得功率因數校正。圖1為這些方案的簡要概述。

圖1 PFC工作模式概述

a. 臨界導電模式 (CRM) PFC - 由于控制的設計較為簡單，而且可與較低速升壓二極管配合使用，所以在較低功率應用中通常采用這方法。近年來，此方法獲創新的改進，提升了效率，MC33260 PFC 控制器提供跟隨升壓選項，通過使升壓轉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 導電損耗，減小了43%的升壓電感尺寸。此外，專為CRM和DCM應用而設計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頻率。b. 不連續導電模式(DCM) PFC -此創新的方案延承了CRM的優點，并消除了若干限制，安森美半導體的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，減輕了濾波負擔。降低開關頻率的另一大優點是有助降低輕載或空載功耗，以滿足各種高能效標準。NCP1601 [3] 具有專利控制架構，通過模式轉換保持PFC，提供比其它方法更為卓越的性能。圖2顯示了NCP1601A在100 W中的應用，這種方法簡單且有效 - 110 Vac 和滿載時的功率因數超過0.99且效率高達 94%。

圖2 NCP1601A DCM PFC 控制器用于100 W 應用圖3 NCP1653 CCM PFC 控制器用于300 W應用

c. 連續導電模式 (CCM) PFC - 由于這種方案恒頻且峰值電流較小，是較高功率 (>250 W) 應用的首選方案。但是，傳統的控制解決方案較為復雜，牽涉到多個環路，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 時的THD為4 %，效率高達93%)。

圖3 NCP1653 CCM PFC 控制器用于300W 應用選擇標準

既然實行功率因數校正有多種新興方案可供選擇，那么應該如何決定選擇哪種方案呢？ 以下是簡要的指南，幫助設計人員選擇適合的方案。

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，取決于你是想優化滿載效率(請采用CRM)；而如欲減少EMI問題(請選擇DCM)。如上所述，NCP1601提供集兩種方案優點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計人員的磁件設計水平(CRM和DCM方案的升壓電感更具挑戰性)，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. 其它系統要求

拓撲的選擇還取決于其它系統要求。例如，如果需要使系統中的頻率同步，則不能采用CRM。此外，如果第二個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，則應選擇跟隨升壓。最后，如果電源的輸出電壓未有嚴格規定，則最好采用NCP1651提供的單段隔離PFC解決方案。

結語