對(duì)于輸入功率大于或等于75瓦的電源來(lái)說(shuō)，通常需要使用功率因數(shù)校正 (PFC)。功率因數(shù)校正可強(qiáng)制輸入電流隨輸入電壓的變化而發(fā)生變化，這樣的話，任何電氣負(fù)載對(duì)于為其供電的電壓源來(lái)說(shuō)都表現(xiàn)為一個(gè)電阻。這一點(diǎn)對(duì)于很多服務(wù)器、電信和工業(yè)應(yīng)用是必須滿足的要求。在這些應(yīng)用中，對(duì)于能效和電能質(zhì)量的要求已經(jīng)變得越來(lái)越嚴(yán)格。評(píng)判PFC性能的最重要標(biāo)準(zhǔn)是效率，總諧波失真 (THD)，和功率因數(shù) (PF)。借助于全新半導(dǎo)體器件和控制方法，最新式的PFC電路已經(jīng)在中度和重度負(fù)載情況下實(shí)現(xiàn)了極佳性能。然而，在輕負(fù)載條件下，效率，THD和PF性能嚴(yán)重降低。

圖表1中顯示的是一個(gè)典型PFC效率曲線。需要注意的是，輕負(fù)載時(shí)效率變得越來(lái)越低。這是因?yàn)樵谳p負(fù)載時(shí)，半導(dǎo)體元件的開(kāi)關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)損耗和反向恢復(fù)損耗成為影響效率的主要因素。同時(shí)，PFC有可能從連續(xù)傳導(dǎo)模式 (CCM) 轉(zhuǎn)換為斷續(xù)傳導(dǎo)模式 (DCM)，這一轉(zhuǎn)換使得轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)性能突然發(fā)生變化，并且電流環(huán)帶寬大大減少。減小的電流反饋信號(hào)也使得對(duì)電路的控制變得十分困難。因此，電流波形的THD增加(圖表2)。本文提出一個(gè)在PFC進(jìn)入輕負(fù)載條件下時(shí)增加效率并減少THD的全新方法。在這一方法中，當(dāng)負(fù)載被減少到小于預(yù)定的閥值時(shí)，PFC進(jìn)入一個(gè)特殊的突發(fā)模式。在這個(gè)模式下，根據(jù)負(fù)載的大小，PFC會(huì)跳過(guò)一個(gè)或多個(gè)交流周期。換句話說(shuō)，PFC會(huì)在一個(gè)或多個(gè)交流周期內(nèi)關(guān)閉，而在下一個(gè)交流周期到來(lái)時(shí)重新打開(kāi)。打開(kāi)/關(guān)閉情況出現(xiàn)在交流零交叉點(diǎn)上，這樣的話就跳過(guò)了整個(gè)交流周期。此外，由于PFC打開(kāi)/關(guān)閉出現(xiàn)在電流為零的時(shí)候，所以產(chǎn)生的應(yīng)力和電磁干擾 (EMI) 噪聲會(huì)更小。這一點(diǎn)與傳統(tǒng)脈寬調(diào)制 (PWM) 脈沖跳躍突發(fā)模式不同;在這種模式下，PWM脈沖被隨機(jī)跳過(guò)。

將被跳過(guò)的交流周期數(shù)量與負(fù)載成反比。如果負(fù)載持續(xù)減少到閥值以下，將會(huì)有更多的交流周期被跳過(guò)。

圖表1.典型PFC效率曲線示例

圖表2.典型PFCTHD曲線示例

按照負(fù)載與將被跳過(guò)的周期數(shù)量之間的關(guān)系可生成一張查詢表格。這張表格將顯示將輸出電壓紋波保持在額定范圍內(nèi)時(shí)可跳過(guò)的最大交流周期數(shù)量。圖表3顯示了在不同負(fù)載下跳過(guò)的四個(gè)不同數(shù)量的交流周期。一旦PFC關(guān)閉，開(kāi)關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)損耗和反向恢復(fù)損耗全部減少為零，并且功率損耗只是PFC待機(jī)功率。由于電流為零，THD為零。當(dāng)PFC打開(kāi)時(shí)，它傳送的功率大于輕負(fù)載條件下所需要的功率，這是因?yàn)樗枰獙?duì)關(guān)閉期間的

圖表3.不同負(fù)載下被跳過(guò)的交流周期數(shù)量典型PFC效率曲線示例

功率進(jìn)行補(bǔ)償。由于現(xiàn)在PFC在中度負(fù)載中運(yùn)行或者完全關(guān)閉以跳過(guò)交流周期，輕負(fù)載效率被增加，而THD被減少。圖表4和5顯示了這一特殊突發(fā)模式所帶來(lái)的效率和THD方面的改進(jìn)。

需要注意的是，當(dāng)PFC關(guān)閉來(lái)跳躍交流周期時(shí)，需要將電流環(huán)路和電壓環(huán)路凍結(jié)。否則的話，這些環(huán)路中的積分器發(fā)生累積，在PFC重新打開(kāi)時(shí)生成一個(gè)較大的PWM脈沖，這個(gè)脈沖會(huì)導(dǎo)致一個(gè)很大的電流尖峰。

為了確定PFC是否進(jìn)入輕負(fù)載狀態(tài)，需要監(jiān)視負(fù)載信息。正常情況下，在PFC輸出上沒(méi)有電流傳感器，所以無(wú)法直接測(cè)量輸出負(fù)載。然而，在VIN固定時(shí)，PFC電壓環(huán)路輸出與負(fù)載成比例。因此，環(huán)路輸出可大體上用作一個(gè)指示器，確定PFC是否運(yùn)行在輕負(fù)載條件下。

如果需要跳過(guò)精確數(shù)量的交流周期才能將輸出電壓紋波保持在額定范圍內(nèi)，那么就需要準(zhǔn)確的負(fù)載信息。由于電路中有一個(gè)測(cè)量PFC電流環(huán)路穩(wěn)壓輸入電流的電流分流器，那么就可以測(cè)量PFC的輸入功率。輸入電流和電壓可由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 進(jìn)行監(jiān)視，然后這些轉(zhuǎn)換器可被用來(lái)計(jì)算實(shí)際的輸入功率。這些準(zhǔn)確的輸入功率信息可被用來(lái)精確地調(diào)節(jié)將被跳過(guò)的交流周期的數(shù)量。

圖表4.效率比較

圖表5.THD比較

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無(wú)需任何額外硬件。要獲得準(zhǔn)確PFC輸入功率測(cè)量值的詳細(xì)信息，請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)1。

這一方法中需要注意的一點(diǎn)是負(fù)載瞬態(tài)期間的壓降。假定PFC關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)負(fù)載升壓，VOUT有可能會(huì)下降很多。為了解決這個(gè)問(wèn)題，用比較器將VOUT與預(yù)定閥值進(jìn)行比較。一旦VOUT低于這個(gè)閥值，PFC將立即退出突發(fā)模式，交流周期跳躍被禁用，并且PFC返回到正常運(yùn)行。這種處理瞬態(tài)響應(yīng)的方法就好像沒(méi)有特殊突發(fā)模式一樣。圖表6顯示交流周期跳躍期間0至100%的負(fù)載瞬態(tài)效應(yīng)。需要注意的是，瞬態(tài)期間的VOUT壓降只有27V，這一壓降值對(duì)于一個(gè)360W PFC來(lái)說(shuō)很正常。

結(jié)論

全新的PFC突發(fā)模式可以在PFC運(yùn)行在輕負(fù)載條件下時(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)交流周期的跳躍。因此，效率和THD都有所提升。此外，由于PFC在交流零交叉點(diǎn)上打開(kāi)/關(guān)閉，電路應(yīng)力和EMI噪聲被相應(yīng)地減少?？梢愿鶕?jù)負(fù)載來(lái)精確地調(diào)節(jié)將被跳過(guò)的交流周期數(shù)量，以便最大限度地提高性能，并且將輸出電壓紋波保持在額定的范圍內(nèi)。如果負(fù)載瞬態(tài)在PFC關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)，突發(fā)模式被立即禁用，而由PFC正常處理負(fù)載瞬態(tài)效應(yīng)。最后，可使用一個(gè)數(shù)字控制器來(lái)輕松實(shí)現(xiàn)此功能，而無(wú)需其他硬件。

參考文獻(xiàn)

1. 孫博生，“測(cè)量輸入功率和RMS電流的低成本解決方案，”模擬應(yīng)用期刊，德州儀器 (TI)，2013年4季度。在線版地址：

www.ti.com/3q14-SLYT545

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