中心議題：

• 新的應用需求為PFC提出更高要求
• 介紹兩種新的PFC拓撲——交錯式PFC和無橋PFC

解決方案：

• 交錯式PFC
  交錯式PFC采用的150 W的PFC就比300 W的PFC更易於設計
  ，便於采用模塊化的方案
  兩個DCM PFC就像一個CCM PFC轉換器，簡化電磁幹擾(EMI)濾波，並減小輸入電流有效值
  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
• 無橋PFC
  傳統的無橋PFC可以提高能效但存在問題，如EMI
  Ivo Barbi無橋升壓PFC架構不需要特定的PFC控製器
  ，具有增強的熱性能，且負相總是接地，解決了EMI問題

功率因數校正(PFC)是電源設計人員麵臨的重要任務。根據IEC61000-3-2諧波標準中的D類規定，功率在75W以上的個人計算機和電視機等電子係統的電源要進行功率因數校正。

根據輸入電流控製原理的不同，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，常用於需要簡單控製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，常見於中低功率應用；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，頻率被限製，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限製最大開關頻率，而CrM降低最大電流應力。總的來看
，FCCrM解決方案似乎擁有最高的能效。

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(等同於“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。

要提高ATX電(dian)源(yuan)能(neng)效(xiao)，以(yi)滿(man)足(zu)最(zui)新(xin)能(neng)效(xiao)標(biao)準(zhun)的(de)更(geng)高(gao)要(yao)求(qiu)

，重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)以(yi)係(xi)統(tong)性(xing)的(de)途(tu)徑(jing)來(lai)分(fen)析(xi)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)來(lai)源(yuan)
，並(bing)針(zhen)對(dui)性(xing)地(di)降(jiang)低(di)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)。通(tong)常(chang)而(er)言(yan)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)將(jiang)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，有利於實現更高的係統總能效。這就需要優化PFC控製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

此ci外wai
，液ye晶jing電dian視shi市shi場chang近jin年nian來lai高gao速su發fa展zhan，而er纖xian薄bo型xing設she計ji則ze為wei液ye晶jing電dian視shi提ti供gong特te別bie的de賣mai點dian，受shou到dao消xiao費fei者zhe的de青qing睞lai。最zui新xin的de液ye晶jing電dian視shi設she計ji更geng是shi趨qu向xiang於yu將jiang厚hou度du降jiang至zhi10 mm以下，這就使元器件高度受到嚴格限製，設計人員必須盡可能采用更小型的元器件
，並降低安裝高度。PFC段同樣受到這方麵的製約，值得一提的是，縮小PFC段元器件能夠幫助係統降低高度。

在這些背景下
，一些新的PFC拓撲結構已經開始湧現和應用。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。

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的地方並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更易於設計，便於采用模塊化的方案
，且兩個DCM PFC就像一個CCM PFC轉換器
，這就簡化電磁幹擾(EMI)濾波，並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控製器實現的交錯式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，而從分支相對於主分支180°相移工作。主/從方案的主要挑戰在於保持在CrM工作模式(沒有CCM模式
，沒有死區)。

獨立相位方案指每個相位都恰當地工作在CrM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，適合輸入電壓範圍較寬的應用。在這種方案中
，2顆NCP1601驅動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方案在不同負載範圍下的能效。

對基於安森美半導體NCP1601交錯式PFC方案的寬輸入範圍

、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範圍內(從20%到100%)
、90 Vrms電壓條件下實現95%的能效
，如圖2所示。

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(lv)波(bo)後(hou)會(hui)經(jing)過(guo)二(er)極(ji)管(guan)橋(qiao)整(zheng)流(liu)器(qi)，但(dan)在(zai)整(zheng)流(liu)過(guo)程(cheng)中(zhong)存(cun)在(zai)功(gong)率(lv)耗(hao)散(san)
，其(qi)中(zhong)既(ji)包(bao)括(kuo)前(qian)端(duan)整(zheng)流(liu)橋(qiao)中(zhong)兩(liang)個(ge)二(er)極(ji)管(guan)導(dao)通(tong)壓(ya)降(jiang)帶(dai)來(lai)的(de)損(sun)耗(hao)，也(ye)包(bao)括(kuo)升(sheng)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)中(zhong)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)管(guan)或(huo)續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)的(de)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)。據(ju)測(ce)算(suan)，在(zai)低(di)壓(ya)市(shi)電(dian)應(ying)用(yong)(@90 Vrms)中，二極管橋會浪費大約2%的能效。有鑒於此，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隻電感、兩隻功率MOSFET和兩隻快恢複二極管組成。

對於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相當於體二極管(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相當於體二極管，PH1通過M1接地。


圖3：傳統的無橋PFC結構示意圖。

相對於傳統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(de)體(ti)二(er)極(ji)管(guan)傳(chuan)遞(di)線(xian)圈(quan)電(dian)流(liu)。最(zui)終(zhong)
，這(zhe)種(zhong)結(jie)構(gou)消(xiao)除(chu)了(le)線(xian)路(lu)電(dian)流(liu)通(tong)道(dao)中(zhong)一(yi)個(ge)二(er)極(ji)管(guan)的(de)壓(ya)降(jiang)，提(ti)升(sheng)了(le)能(neng)效(xiao)。但(dan)實(shi)際(ji)上(shang)，這(zhe)種(zhong)架(jia)構(gou)也(ye)存(cun)在(zai)幾(ji)處(chu)不(bu)便(bian)，因(yin)為(wei)交(jiao)流(liu)線(xian)路(lu)電(dian)壓(ya)不(bu)像(xiang)傳(chuan)統(tong)PFC那樣對地參考
，而是相對於PFC段接地而浮動
，這就需要特定的PFC控製器來感測交流輸入電壓，而這種結構中的簡單電路並不能完成這項任務。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，且每個端子用於1個PFC段。故這種解決方案可視作2相PFC，其中2個分支並聯工作。這種架構也省下了電流通道中的一個二極管，並因此提升了能效。這種2相式架構並不需要特定的PFC控製器
，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

安森美半導體基於這種架構開發了800 W PFC段的原型。這原型采用NCP1653 PFC控製器及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。

總結：
交錯式PFC和無橋PFC等新穎拓撲結構的先進PFC技術可用於滿足功率大於75 W電源的新趨勢
，有利於設計厚度低至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、高能效矽解決方案供應商，提供基於NCP1601的交錯式PFC和基於NCP1653的無橋PFC等創新解決方案
，具有小外形因數
，適用於緊湊型設計，並減少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。

供稿：安森美半導體

參考資料：
1
、安森美半導體
，《先進的功率因數校正》，http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND344-D.PDF
2、Joël TURCHI

，安森美半導體，《800 W無橋PFC段》，http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AND8392-D.PDF
3
、Joël TURCHI
，安森美半導體，《交錯式PFC段特性》，
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AND8355-D.PDF
4、安森美半導體，《液晶電視AC-DC電源架構》，http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND353-D.PDF