中心議題：

• 數字控製的無橋PFC
• 自適應總線電壓和開關頻率控製
• 數字控製提高無橋PFC性能方案

解決方案：

• 通過變流器實現電流檢測
• 動態調節環路補償器
• 改善輕載時的PF
• 非線性控製

由於效率要求不斷增長，許多電源製造商開始將注意力轉向無橋功率因數校正（PFC）拓撲結構。一般而言，無橋PFC可以通過減少線路電流路徑中半導體元器件的數目來降低傳導損耗。盡管無橋PFC的概念已經提出了許多年，但因其實施難度和控製複雜程度
，阻礙了它成為一種主流拓撲。

隨著一些專為電源設計的低成本
、高性能數字控製器上市，越來越多的電源公司開始為PFC設計選用這些新型數字控製器。相比傳統的模擬控製器，數字控製器擁有許多優勢
，例如：可編程配置
，非線性控製，較低器件數目以及最為重要的複雜功能實現能力（模擬方法通常難以實現）。

大多數現今的數字電源控製器（例如：TI的融合數字電源控製器UCD30xx）都提供了許多的集成電源控製外設和一個電源管理內核，例如：數字環路補償器，快速模數轉換器（ADC），具有內置停滯時間的高分辨率數字脈寬調製器（DPWM），以及低功耗微控製器等。它們都對無橋PFC等複雜高性能電源設計具有好處。

數字控製的無橋PFC

在其他無橋PFC拓撲結構中，圖1是一個已被業界廣泛采用的無橋PFC實例。它具有兩個DC/DC升壓電路
，一個由L1、D1和S1組成，另一個則由L2
、D2和S2組成。D3和D4為慢恢複二極管。通過參考內部電源地，分別檢測線路（Line）和中性點（Neutral）電壓，測量得到輸入AC電壓。通過對比檢測到的線路和中性點信號
，固件便可知道它是一個正半周，還是一個負半周。在一個正半周內，第一個DC/DC升壓電路（L1-S1-D1）有效，並且升壓電流通過二極管D4回到AC中性點；在一個負半周內

，第二個DC/DC升壓電路（L2-S2-D2）有效，並且升壓電流二極管通過D3回到AC線。像UCD3020這樣的數字控製器用於控製這種無橋PFC。

圖1:數字控製無橋PFC

無橋PFC基本上由兩個相升壓電路組成
，但在任何時候都隻有一個相有效。對比使用相同功率器件的傳統單相PFC,無橋PFC和單相PFC的開關損耗應該相同。但是
，無橋PFC電流在任何時候都隻通過一個慢速二極管（正半周為D4,負半周為D3），erfeiliangge。yinci
，xiaolvdetigaoqujueyuyigeerjiguanhelianggeerjiguanzhijiandechuandaosunhaochayi。lingwai，tongguowanquankaiqifeidangqiandekaiguankeyijinyibutigaowuqiaoPFC效率。例如：在一個正半周內，在S1通過PWM信號控製的同時
，S2可以完全開啟。當流動的電流低於某個值時，MOSFET S2壓降可能低於二極管D4,因此
，返回電流部分或者全部流經L1-D1-RL-S2-L2,然後返回AC源。這樣，傳導損耗被降低，電路效率也能夠提高（特別是在輕載情況下）。同樣
，在一個負半周內，S2開關時，S1被完全開啟。圖2顯示了S1和S2的控製波形。

圖2:無橋PFC的PWM波形

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自適應總線電壓和開關頻率控製

傳統上，效率指標在高壓線路和低壓線路上都規定為滿載。現在
，計算服務器和遠程通信電源等大多數應用要求，除在滿載時

，在10%-50%負載範圍時

，效率也應當滿足標準規範。在大多數AC/DC應用中，係統具有一個PFC和一個下遊DC/DC級，因此，我們將根據整個係統來測量效率。若想提高輕載時的總係統效率


，一種方法是降低PFC輸shu出chu電dian壓ya和he開kai關guan頻pin率lv。這zhe要yao求qiu了le解jie負fu載zai信xin息xi，而er這zhe項xiang工gong作zuo通tong常chang通tong過guo使shi用yong一yi些xie額e外wai電dian路lu，測ce量liang輸shu出chu電dian流liu來lai實shi現xian。然ran而er，采cai用yong數shu字zi控kong製zhi器qi，便bian不bu再zai需xu要yao這zhe些xie額e外wai電dian路lu。在zai輸shu入ruAC電壓和DC輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)相(xiang)同(tong)時(shi)，輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)與(yu)電(dian)壓(ya)環(huan)路(lu)輸(shu)出(chu)成(cheng)正(zheng)比(bi)。因(yin)此(ci)
，如(ru)果(guo)我(wo)們(men)知(zhi)道(dao)電(dian)壓(ya)環(huan)路(lu)的(de)輸(shu)出(chu)，我(wo)們(men)便(bian)可(ke)以(yi)相(xiang)應(ying)地(di)調(tiao)節(jie)頻(pin)率(lv)和(he)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。使(shi)用(yong)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)器(qi)以(yi)後(hou)，電(dian)壓(ya)環(huan)路(lu)通(tong)過(guo)固(gu)件(jian)來(lai)實(shi)現(xian)。其(qi)輸(shu)出(chu)已(yi)知(zhi)，因(yin)此(ci)，實(shi)現(xian)這(zhe)種(zhong)特(te)性(xing)十(shi)分(fen)容(rong)易(yi)，並(bing)且(qie)成(cheng)本(ben)比(bi)使(shi)用(yong)模(mo)擬(ni)方(fang)法(fa)要(yao)低(di)得(de)多(duo)。

通過變流器實現電流檢測

無橋PFC的難題之一是
，如何檢測整流後的AC電流。如前所述，AC返回電流（部分或者全部）可能會流經非當前的開關，而非慢速二極管D3/D4.因此，在接地路徑中
，使用分流器來檢測電流的方法（通常在傳統PFC中使用）已不再適用。取而代之的是使用變流器（CT）來檢測，且每相一個（圖1）。這zhe兩liang個ge變bian流liu器qi的de輸shu出chu整zheng流liu後hou結jie合he在zai一yi起qi，以yi產chan生sheng電dian流liu反fan饋kui信xin號hao。由you於yu在zai任ren何he時shi候hou都dou隻zhi有you一yi個ge變bian流liu器qi具ju有you整zheng流liu輸shu出chu信xin號hao，因yin此ci，即ji使shi將jiang它ta們men結jie合he在zai一yi起qi，任ren何he時shi候hou也ye都dou隻zhi有you一yi個ge反fan饋kui電dian流liu信xin號hao。

圖3:連續導通模式時的檢測電流波形

圖4:非連續導通模式時的檢測電流波形

如圖3、4所示，由於變流器放置在開關的正上方，因此，它隻檢測開關電流（隻是電感電流的上升部分）。在數字控製實現時
，在PWM導通時間Ta中間測量該開關電流信號。它是一個瞬時值，在圖3
、4中以Isense表示。僅當該電流為連續電流時
，測得的開關電流Isense才等於平均PFC電感電流（圖3）。當該電流變為圖4所示非連續狀態時，Isense將不再等於平均PFC電感電流。為了計算電感平均電流，應建立在一個開關周期內，中間點檢測電流Isense和平均電感電流之間的關係，並且這種關係應同時適用於連續導通模式（CCM）和非連續導通模式（DCM）。

就一個在穩態工作的升壓型轉換器而言，升壓電感的二次電壓應在每一開關周期內都保持平衡：

其中，Ta為電流上升時間（PWM導通時間）
，Tb為電流下降時間（PWM關斷時間）
，VIN為輸入電壓，VO為輸出電壓，並假設所有功率器件均為理想狀態。

從圖3、4可以看出，我們可以根據Isense,計算出電感平均電流Iave:

其中，T為開關周期。

結合（1）
、（2）兩式
，可以得到：

通過（3）式

，平均電感電流Iave被表示成瞬時開關電流Isense.期望電流Iave和Isense為電流控製環路的電流參考。檢測到實際的瞬時開關電流後，與該參考對比，誤差被送至一個快速誤差ADC（EADC），最後，將數字化的誤差信號傳送至一個數字補償器，以關閉電流控製環路。
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動態調節環路補償器

總諧波失真（THD）和功率因數（PF）是兩個判定PFC性能非常重要的標準。一個好的環路補償器應該具有較好的THD和PF.不過，由於PFC的輸入範圍非常寬，它可以從80Vac擴展至高達265Vac,因yin此ci
，在zai低di壓ya線xian路lu擁yong有you較jiao高gao性xing能neng的de補bu償chang器qi
，在zai高gao壓ya線xian路lu上shang可ke能neng無wu法fa很hen好hao工gong作zuo。最zui好hao的de方fang法fa是shi根gen據ju輸shu入ru電dian壓ya相xiang應ying地di調tiao節jie環huan路lu補bu償chang器qi。這zhe對dui模mo擬ni控kong製zhi器qi來lai說shuo，可ke能neng是shi一yi項xiang不bu可ke能neng完wan成cheng的de任ren務wu
，但dan對dui於yu一yi些xie數shu字zi控kong製zhi器qi（例如：UCD3020）來說，則可以輕鬆實現。

該芯片中的數字補償器是一種數字濾波器，它由一個與一階IIR濾波器級聯的二階無限脈衝響應（IIR）濾波器組成。控製參數（即所謂的係數）被保存在一組寄存器中。該寄存器組被稱作存儲體（bank）。共(gong)有(you)兩(liang)個(ge)這(zhe)樣(yang)的(de)存(cun)儲(chu)體(ti)
，並(bing)且(qie)它(ta)們(men)可(ke)以(yi)存(cun)儲(chu)不(bu)同(tong)的(de)係(xi)數(shu)。任(ren)何(he)時(shi)候(hou)，隻(zhi)有(you)一(yi)個(ge)存(cun)儲(chu)體(ti)的(de)係(xi)數(shu)有(you)效(xiao)並(bing)用(yong)於(yu)補(bu)償(chang)計(ji)算(suan)，而(er)另(ling)一(yi)個(ge)則(ze)處(chu)於(yu)非(fei)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)。固(gu)件(jian)始(shi)終(zhong)都(dou)可(ke)以(yi)向(xiang)非(fei)工(gong)作(zuo)存(cun)儲(chu)體(ti)加(jia)載(zai)新(xin)的(de)係(xi)數(shu)。在(zai)PFC工作期間，可以在任何時候調換係數存儲體
，以便允許補償器使用不同的控製參數
，以以適應不同的運行狀態。

圖5:低壓線路的VIN和IIN波形（VIN=110V,負載=1100W,THD=2.23%,PF=0.998）

有了這種靈活性以後，我們可以存儲兩個不同的係數組（一個用於低壓線路，另一個用於高壓線路），並根據輸入電壓交換係數。環路帶寬、相(xiang)位(wei)裕(yu)度(du)和(he)增(zeng)益(yi)裕(yu)度(du)在(zai)低(di)壓(ya)線(xian)路(lu)和(he)高(gao)壓(ya)線(xian)路(lu)下(xia)都(dou)可(ke)優(you)化(hua)。利(li)用(yong)這(zhe)種(zhong)動(dong)態(tai)調(tiao)節(jie)的(de)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)係(xi)數(shu)，並(bing)使(shi)用(yong)固(gu)件(jian)補(bu)償(chang)變(bian)流(liu)器(qi)可(ke)能(neng)出(chu)現(xian)的(de)偏(pian)移(yi)，可(ke)以(yi)極(ji)大(da)改(gai)善(shan)THD和PF.圖5

、6是基於1100W無橋PFC的測試結果，在低壓線路上的THD為2.23%,高壓線路上的THD為2.27%,而PF則分別為0.998和0.996。

圖6:高壓線路的VIN和IIN波形（VIN=220V,負載=1100W,THD=2.27%,PF=0.996）

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改善輕載時的PF

每個PFC在輸入端都有一個電磁幹擾（EMI）濾波器。EMI濾波器的X電容會引起AC輸入電流超前AC電壓，從而影響PF.在輕載和高壓線路下，這種情況將變得更糟糕：PF很難滿足嚴格的規範。要想增加輕載時的PF,我們需要相應地強製電流延遲。我們如何實現呢？

圖7:測量到的VIN無延遲

我們知道，PFC電流控製環路不斷嚐試強製電流與其參考匹配。該參考基本上是ACdianyaxinhao
，zhishidaxiaobutong。yinci，ruguowomennenggouyanchidianyajiancexinhao，bingjiangyanchihoudedianyaxinhaoyongyudianliucankaoshengcheng，biankeyirangdianliuyanchi，laipipeiAC電壓信號
，從而使PF得到改善。這對一個模擬控製器來說比較困難，但對數字控製而言，隻需幾行代碼便可以實現。

圖8:測量到的VIN被延遲300us

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首先
，輸入AC電壓通過ADC測量。固件讀取測量到的電壓信號


，再加上一些延遲
，然後使用延遲後的信號來生成電流參考。圖7
、8顯示了1100W無橋PFC的測試結果。在該測試中
，VIN=220V,VOUT=360V,而負載=108W（約滿載的10%）。通道1為IIN,通道2為VIN,通道4為帶延遲的測量到的VIN信號。圖7中，測量到的VIN沒有增加延遲，PF=0.86,THD=8.8%.而在圖8中，測量到的VIN信號被延遲了300us,這種情況下

，PF被改善到0.90.此外，還可以進一步改善PF,但這將以犧牲THD為代價，因為進一步延遲電流參考，將在AC電壓交叉點處產生更多的電流失真。在圖9中
，測量到的VIN被延遲了500us,此時，PF被改善到0.92.但是
，電流在電壓交叉點處出現了失真。結果，THD變得更糟糕
，達到11.3%.

圖9:測量到的VIN被延遲500us

非線性控製

相比電流環路
，電壓環路控製的複雜度較低。在數字實現時
，輸出電壓VO通過一個ADC檢測

，然後同一個電壓基準比較。我們可以使用一個簡單的比例積分（PI）控製器，來閉合該環路。

其中，U為控製輸出，Kp和Ki分別為比例和積分增益。E[n]為DC輸出電壓誤差采樣值。

如前所述，使用數字控製的好處之一是它能夠實現非線性控製。為提高瞬態響應，可以使用非線性PI控製。圖10是非線性PI控製的一個例子。誤差越大時（通常出現在瞬態），所使用的Kpzengyiyeyueda。dangwuchachaochushezhixianzhishi
，zhejiangjiasuhuanluxiangying
，bingqie

，huifushijianyebeisuoduan。duiyujifenqi
，zeyoushilingwaiyizhongqingkuang。zhongsuozhouzhi
，jifenqiyongyuxiaochuwentaiwucha。raner，taquejingchangyinqibaohewenti，bingqieqi90°相位滯後也將影響係統的穩定性。正因如此
，我們使用了一個非線性積分增益（圖10）。當誤差超出一定程度時
，積分增益Ki減小，以防止出現飽和、超調和不穩定的問題。

圖10:非線性PI控製。

數字電壓環路控製的另一個優點被稱為抗積分器飽和，它一般出現在AC下降時。當出現AC下降且下遊負載繼續吸取電流時，DC輸出電壓開始下降，而PFC控製環路卻仍然嚐試調節其輸出。因此，積分器積分


，並可能出現飽和，這種情況被稱為積分器飽和。一旦AC恢複
，飽和的積分器便可能引起DC輸出電壓超調。為防止出現這種情況
，則一旦探測到AC恢複，固件便馬上複位積分器
，並且DC輸出達到其調節點。

數字控製器還可以做更多工作，例如：頻率抖動、係統監控和通信等，並且還可以為無橋PFC提供靈活的控製
、更高的集成度和更高的性能。在一些高端AC/DC設計中，越來越多的設計正在使用數字控製器。