對于輸入功率大于或等于75瓦的電源來說，通常需要使用功率因數(shù)校正 (PFC)。功率因數(shù)校正可強制輸入電流隨輸入電壓的變化而發(fā)生變化，這樣的話，任何電氣負載對于為其供電的電壓源來說都表現(xiàn)為一個電阻。這一點對于很多服務(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，對于能效和電能質(zhì)量的要求已經(jīng)變得越來越嚴(yán)格。評判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)在中度和重度負載情況下實現(xiàn)了極佳性能。然而，在輕負載條件下，效率，THD和PF性能嚴(yán)重降低。

圖表1中顯示的是一個典型PFC效率曲線。需要注意的是，輕負載時效率變得越來越低。這是因為在輕負載時，半導(dǎo)體元件的開關(guān)損耗、驅(qū)動損耗和反向恢復(fù)損耗成為影響效率的主要因素。同時，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也使得對電路的控制變得十分困難。因此，電流波形的THD增加(圖表2)。本文提出一個在PFC進入輕負載條件下時增加效率并減少THD的全新方法。在這一方法中，當(dāng)負載被減少到小于預(yù)定的閥值時，PFC進入一個特殊的突發(fā)模式。在這個模式下，根據(jù)負載的大小，PFC會跳過一個或多個交流周期。換句話說，PFC會在一個或多個交流周期內(nèi)關(guān)閉，而在下一個交流周期到來時重新打開。打開/關(guān)閉情況出現(xiàn)在交流零交叉點上，這樣的話就跳過了整個交流周期。此外，由于PFC打開/關(guān)閉出現(xiàn)在電流為零的時候，所以產(chǎn)生的應(yīng)力和電磁干擾 (EMI) 噪聲會更小。這一點與傳統(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脈沖被隨機跳過。

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

圖表1.典型PFC效率曲線示例

圖表2.典型PFCTHD曲線示例

按照負載與將被跳過的周期數(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)時可跳過的最大交流周期數(shù)量。圖表3顯示了在不同負載下跳過的四個不同數(shù)量的交流周期。一旦PFC關(guān)閉，開關(guān)損耗、驅(qū)動損耗和反向恢復(fù)損耗全部減少為零，并且功率損耗只是PFC待機功率。由于電流為零，THD為零。當(dāng)PFC打開時，它傳送的功率大于輕負載條件下所需要的功率，這是因為它需要對關(guān)閉期間的

圖表3.不同負載下被跳過的交流周期數(shù)量典型PFC效率曲線示例

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

需要注意的是，當(dāng)PFC關(guān)閉來跳躍交流周期時，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重新打開時生成一個較大的PWM脈沖，這個脈沖會導(dǎo)致一個很大的電流尖峰。

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

如果需要跳過精確數(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)確的負載信息。由于電路中有一個測量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) 進行監(jiān)視，然后這些轉(zhuǎn)換器可被用來計算實際的輸入功率。這些準(zhǔn)確的輸入功率信息可被用來精確地調(diào)節(jié)將被跳過的交流周期的數(shù)量。

圖表4.效率比較

圖表5.THD比較

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無需任何額外硬件。要獲得準(zhǔn)確PFC輸入功率測量值的詳細信息，請見參考文獻1。

這一方法中需要注意的一點是負載瞬態(tài)期間的壓降。假定PFC關(guān)閉時出現(xiàn)負載升壓，VOUT有可能會下降很多。為了解決這個問題，用比較器將VOUT與預(yù)定閥值進行比較。一旦VOUT低于這個閥值，PFC將立即退出突發(fā)模式，交流周期跳躍被禁用，并且PFC返回到正常運行。這種處理瞬態(tài)響應(yīng)的方法就好像沒有特殊突發(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，這一壓降值對于一個360W PFC來說很正常。

結(jié)論

全新的PFC突發(fā)模式可以在PFC運行在輕負載條件下時實現(xiàn)一個或多個交流周期的跳躍。因此，效率和THD都有所提升。此外，由于PFC在交流零交叉點上打開/關(guān)閉，電路應(yīng)力和EMI噪聲被相應(yīng)地減少?？梢愿鶕?jù)負載來精確地調(diào)節(jié)將被跳過的交流周期數(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)。如果負載瞬態(tài)在PFC關(guān)閉時出現(xiàn)，突發(fā)模式被立即禁用，而由PFC正常處理負載瞬態(tài)效應(yīng)。最后，可使用一個數(shù)字控制器來輕松實現(xiàn)此功能，而無需其他硬件。

參考文獻

1. 孫博生，“測量輸入功率和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

相關(guān)Web站點

www.ti.com/3q14-UCD3138

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