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,。最新的行業(yè)標準不僅要適用于特定的應(yīng)用條件,，而且要求更準確地反映整個負載范圍內(nèi)的效率水平,，包括從輕載條件到滿負載情況。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,，還將詳細介紹一些為實現(xiàn)該目標而推出的下一代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,，這會為消費者帶來大量的能源費用,，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)備的重要選擇標準。過去,，制造商引用的“最佳可能”效率數(shù)據(jù)在某種程度上誤導了消費者,，因為設(shè)備很少在這個最佳點運行，實際效率低很多,，因此導致較高的運營成本,。
為了解決這個問題，標準機構(gòu),、行業(yè)協(xié)會和政府已經(jīng)制定了新標準,，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)指導方針時,，他們將重點放在功率因數(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)截撦d。然而,，在現(xiàn)實世界中,，許多負載包含電感性或電容性元件，被稱為“無功功率（reactive）”或“復功率（complex）”,。這些復雜的負載導致電流和電壓之間產(chǎn)品相移,，從而降低負載可用的實際功率。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,，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,。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,，一種稱為臨界導通模式（CrM）的拓撲架構(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二極管。
另一種廣泛采用的技術(shù)是連續(xù)導通模式（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，并且當電流流動時進行開關(guān),，需要快速恢復二極管,。
這些技術(shù)已經(jīng)用于眾多半導體供應(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)商甚至提供更復雜的方法,，其中一些能夠根據(jù)負載條件而改變傳導模式，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)化的兩級拓撲架構(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,。這些器件在準諧振（QR）模式下工作,，MOSFET在漏極電壓的谷底處導通，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)代效率標準,。這些器件還可在低負載（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,、風扇和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,。
安森美半導體的NCP1622是一款增強型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,，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,，更好的相間導通時間匹配（phase-to-phase on-time matching）和轉(zhuǎn)換模式運行,。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)性的待機功率標準,。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營成本，因而效率永遠是一個至關(guān)重要的話題,。隨著能源標準的不斷演進,，他們正在更加關(guān)注待機功率和輕載效率，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,，所有這些為電源設(shè)計人員提出了一系列復雜的挑戰(zhàn),。然而，就高集成度和先進的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準的嚴格要求,。