滿足新應用需求的先進PFC技術及解決方案
發布時間：2010-10-10 21:55
發布者：conniede
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功率因數校正(PFC)是電源設計人員面臨的重要任務。根據IEC61000-3-2諧波標準中的D類規定，功率在75 W以上的個人計算機和電視機等電子系統的電源要進行功率因數校正。 根據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)、不連續導電模式(DCM)、連續導電模式(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。 值得一提的是，FCCrM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的優點：DCM限制最大開關頻率，而CrM降低最大電流應力�？偟膩砜�，FCCrM解決方案似乎擁有最高的能效。 1 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界開發新的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。 表1：80 PLUS等能效標準對多路輸出ATX電源的能效要求 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換器段。以常見的75%能效ATX電源為例，據測算，PFC段的損耗要占總損耗的40%。因此，將PFC段的能效提至最高，有利于實現更高的系統總能效。這就需要優化PFC控制器及其工作模式與其它元器件的選擇。 此外，液晶電視市場近年來高速發展，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降低高度。 在這些背景下，一些新的PFC拓撲結構已經開始涌現和應用。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拓撲結構的特征、解決方案及性能測試結果。 2 交錯式PFC的優勢及解決方案 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控制器實現的交錯式PFC架構的功能框圖 交錯式PFC有兩種具體實現方案：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/從方案的主要挑戰在于保持在CrM工作模式(沒有CCM模式，沒有死區)。 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預轉換器進行的測試顯示，這解決方案在很寬的負載范圍內(從20%到100%)、90 Vrms電壓條件下實現95%的能效，如圖2所示。 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 3 無橋PFC的優勢及解決方案 傳統有源PFC中，交流輸入經過EMI濾波后會經過二極管橋整流器，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，也包括升壓轉換器中功率開關管或續流二極管的導通損耗。據測算，在低壓市電應用中，二極管橋會浪費大約2%的能效。有鑒于此，近年來業界提出了無橋PFC拓撲結構。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。 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：傳統的無橋PFC結構示意圖 相對于傳統PFC段而言，這種無橋PFC節省了由二極管整流橋導致的損耗，但不工作MOSFET的體二極管傳遞線圈電流。最終，這種結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測線圈電流。 此外，EMI濾波也是一個主要問題。 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 安森美半導體基于這種架構開發了800 W PFC段的原型。這原型采用NCP1653 PFC控制器及MC33152 MOSFET驅動器。經測試，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。 4 總結 交錯式PFC和無橋PFC等新穎拓撲結構的先進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等創新解決方案，具有小外形因數，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先機。 |
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