【導讀】電網提供的電能是交流電
，但我們使用的大多數設備都需要直流電
，這意味著進行這種轉換的交流/直流電源是能源網上最常見的負載之一。隨著世界關注能效以保護環境並管理運營成本，這些電源的高效運行變得越來越重要。

效率作為輸入功率與供給負載的功率之間的比率衡量
，很容易理解。但是
，輸入功率因數也有很大的影響。功率因數(PF)描述了任何交流電設備(包括電源)消耗的有用(真實)功率與總(視在)功率(kVA)之間的比值。PF衡量消耗的電能轉換為有用功輸出的有效性。

如果負載是純阻性負載
，PF將等於1，但任何負載內的無功元件都會降低PF
，使視在功率大於有用功率


，從而導致效率降低。

PF小於1是由電壓和電流相位不同引起的——這在感性負載中很常見。它也可能是由於諧波含量高或電流波形失真，這在開關型電源(SMPS)或其他類型的不連續電子負載中很常見。

校正PF

許多不帶PF校正的SMPS比經過校正的SMPS消耗的電流更高，因此在功率水平高於70W的條件下，立法要求設計人員添加電路將PF的值校正為接近1。最常見的有源PF校正(PFC)技術使用升壓轉換器將整流電源轉換為直流高電平，然後使用脈寬調製(PWM)來調節直流電平。

雖然這項技術效果很好且易於實施
，但也存在一些挑戰。現代效率標準(如嚴格的“80+ 鈦金標準”)要求在整個寬功率範圍內具有高效率，在50%負載條件下的峰值效率需達到96%。由於PFC級之後的DC-DC轉換器通常具有2%的損耗
，線性整流和PFC級本身隻能損耗2%——這對橋式整流器中的二極管來說是一個挑戰。

圖1：傳統(左)和(右)無橋圖騰 PFC電路

然而，如果將升壓二極管(D5)替換為同步整流器，效率則會提高。此外，隻需要兩個線性整流二極管，也可以采用同步整流器(Q3和Q4)，進一步提高效率。這種技術被稱為圖騰柱PFC(TPPFC)，借助理想電感和出色開關

，效率可以接近100%。現代MOSFET具有出色的性能
，但尚未達到理想開關的水平——即使並聯使用時也很難達到。因此，寬帶隙半導體開關將與圖騰柱PFC拓撲攜手並進。

應對損耗

隨著開關頻率不斷提高的發展趨勢，開關器件中的動態損耗會產生更大的影響。這些損耗是MOSFET被配置為圖騰柱高速開關橋臂時的反向恢複所致，當其體二極管在開關“死區”時間內導通時，必須耗盡相關的存儲電荷
，損耗也來自於開關輸出電容的充電和放電。

事實上
，矽基MOSFET的動態損耗可能相當大，因此
，設計人員越來越多地在TPPFC應用中指定使用寬帶隙半導體材料，例如碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN)器件。這些器件的附加優勢是更高工作頻率和高溫工作能力——這兩個特性在電源應用中非常有用。

臨界導通模式(CrM)通常是TPPFC的首選導通模式
，尤其是在功率高達幾百瓦時，該模式提供了效率和EMI 性能之間的良好折衷。連續導通模式(CCM)可進一步降低開關中的RMS電流和導通損耗，使TPPFC能夠適用於千瓦級額定功率的應用。

即便使用CrM，效率在輕負載條件下也會明顯下降(可達10%)，這在我們試圖滿足待機或空載能耗限製時帶來了真正的挑戰。一種解決方案是箝位或“折返”最大允許頻率
，從而在輕負載條件下強製電路進入DCM，該模式下的較高峰值電流仍低於同等CrM實現中的峰值電流。

將TPPFC與CrM工作和頻率箝位相結合，可提供一個良好的中等功率解決方案
，在整個負載範圍內提供出色的效率，尤其是當WBG開關用於高頻橋臂時。

其他挑戰

解決了效率挑戰後，還需要克服最後一個障礙。需要同步驅動四個有源器件，並且必須檢測電感的零電流交越以強製CrM。該電路必須能夠在需要時自動切換進入和退出DCM，而且在完成所有這些操作的同時，保持高功率因數並生成一個PWM信號來調節輸出。除此之外
，還要求提供電路保護(例如過電流和過壓)。

一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，鑒(jian)於(yu)所(suo)涉(she)及(ji)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)，最(zui)佳(jia)方(fang)法(fa)是(shi)在(zai)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)中(zhong)實(shi)現(xian)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)。然(ran)而(er)，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)可(ke)能(neng)很(hen)昂(ang)貴(gui)，而(er)且(qie)需(xu)要(yao)生(sheng)成(cheng)並(bing)調(tiao)試(shi)代(dai)碼(ma)，這(zhe)是(shi)許(xu)多(duo)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)希(xi)望(wang)避(bi)免(mian)的(de)領(ling)域(yu)。

采用CrM的TPPFC無代碼解決方案

完全集成的TPPFC控製解決方案具有許多優勢
，包括能夠提高性能水平
、縮短設計時間和降低設計風險
，同時無需采用微控製器和相關代碼。

安森美(onsemi)提供的混合信號TPPFC控製器NCP1680就是這樣一種集成解決方案，該控製器在恒定導通時間的CrM下工作
，確保在整個負載範圍內實現高效率。NCP1680可在輕負載條件下提供頻率折返期間的“穀底開關”，通(tong)過(guo)在(zai)最(zui)低(di)電(dian)壓(ya)下(xia)進(jin)行(xing)開(kai)關(guan)操(cao)作(zuo)來(lai)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)。數(shu)字(zi)電(dian)壓(ya)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)經(jing)過(guo)內(nei)部(bu)補(bu)償(chang)，可(ke)優(you)化(hua)整(zheng)個(ge)負(fu)載(zai)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)性(xing)能(neng)，同(tong)時(shi)能(neng)夠(gou)確(que)保(bao)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)保(bao)持(chi)簡(jian)單(dan)。

圖2：NCP1680提供了簡單而精巧的無代碼TPPFC解決方案

這款創新的控製器采用小型SOIC-16封裝，利用專有的低損耗方法進行電流檢測和逐周期限流，無需外部霍爾效應傳感器即可提供出色的保護水平，從而降低複雜性
、尺寸和成本。

所有必要的控製算法都嵌入在IC中，為設計人員提供低風險、經過試用和測試驗證的解決方案，在經濟價位下提供高性能。

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