引言：技術驅動型社會對于生態的影響近來受到了極大關注，這類動向經常成為新聞頭條，并影響政府決策。社會對可用能源的需求在不斷增加，而相關成本繼續上升。因此，制造具有更高功率效率的電子系統是一個重要話題，而所有的設計決策現在基本都在圍繞這一目標。最新的行業標準不僅要適用于特定的應用條件，而且要求更準確地反映整個負載范圍內的效率水平，包括從輕載條件到滿負載情況。本文探討了如何更好地實施功率因數校正（PFC）來顯著提高效率，還將詳細介紹一些為實現該目標而推出的下一代PFC控制器IC。
如今，能源是一個非常有新聞價值的話題，全世界都認識到向可再生能源轉移的重要性，而不是繼續依賴正在不斷耗盡且對環境有害的化石燃料。政府機構也試圖通過提高產品效率來限制能源成本的上漲，這也經常成為頭條新聞。隨著我們在日常生活的各個方面越來越多地使用各種技術，對于能源的需求也在不斷增加。當更大的絕對數量伴隨著單位成本的不斷上升，這會為消費者帶來大量的能源費用，并影響商業能源用戶的預算。
在許多情況下，無論是用于家庭還是商業用途，能源效率正在成為購買新設備的重要選擇標準。過去，制造商引用的“最佳可能”效率數據在某種程度上誤導了消費者，因為設備很少在這個最佳點運行，實際效率低很多，因此導致較高的運營成本。
為了解決這個問題，標準機構、行業協會和政府已經制定了新標準，要求提供從輕載到滿載范圍內的最低效率水平。在功率系統設計人員尋找滿足已經實施法規指導方針時，他們將重點放在功率因數校正（PFC）層面， 并將其視為可以節省成本的所在。一些估算表明，PFC級加上EMI濾波器，可以消耗接近系統有用功率的十分之一。
為什么PFC很重要？
對于簡單的電阻性負載，PFC無關緊要，其中電流和電壓波形同相，功率是這兩者的乘積，所有有用功率都傳輸到負載。然而，在現實世界中，許多負載包含電感性或電容性元件，被稱為“無功功率（reactive）”或“復功率（complex）”。這些復雜的負載導致電流和電壓之間產品相移，從而降低負載可用的實際功率。在這種情況下，因為能量成本基于視在功率，高于所使用的功率。負載的無功功率越大，表明電流和電壓之間相移越大，實際功率越低。
為了計算實際功率，視在功率必須乘以電壓和電流之間相位角之差的余弦，這被稱為“位移因子”。當器件的輸入級包含以非連續方式工作的元件時，例如為絕大多數現代電子設備供電的開關模式電源（SMPS）中的二極管橋，則情況再次發生變化。
當電流波形從正弦波變為一系列尖峰時，則存在諧波電流。這些電流在負載中循環但不會影響可用功率，因此會降低效率。為了在功率計算中表示這一點，使用一個基于總諧波失真（THD）的 “失真因子”。波形失真越多，該因素就會對實際功率產生越不利的影響。
從數學方面，任何系統的功率因數（PF）都是位移因子和失真因子的乘積。這意味著如果電流波形是正弦波并且與電壓同相，則不會影響效率。然而，相位差和/或波形失真越大，實際功率越低。
PFC背后的技術
管理系統功率因數的一種方法是使負載的無功功率降低，但在許多實際情況下，這并不是一個可行的解決方案。例如，電動機必須具有繞組，這些繞組本質上就是無功功率。為了解決不良功率因數的影響，設計人員通常會在SMPS的前端包含一個有源PFC級。考慮到廣泛的各種應用和多種功率水平，現在已經開發出了許多種PFC控制方案。LED技術在許多應用中已經取代了傳統燈泡，因此我們的照明更多是通過SMPS供電，而不是直接來自電源電壓。在這種情況下，一種稱為臨界導通模式（CrM）的拓撲架構很受業界喜愛，這種可變頻率方法僅在電流波形為零交叉（zero-crossing）時開關，從而消除了反電動勢，并不再需要快速恢復二極管。
另一種廣泛采用的技術是連續導通模式（CCM），主要針對功率水平高于300W的更高功率系統。它以固定頻率工作，并且當電流流動時進行開關，需要快速恢復二極管。
這些技術已經用于眾多半導體供應商的PFC控制器，使設計人員能夠非常迅速地實施PFC解決方案。某些供應商甚至提供更復雜的方法，其中一些能夠根據負載條件而改變傳導模式，從而確保最高水平的效率。
現代PFC解決方案
Diodes公司的AL1771/AL1772專門針對照明應用而設計，是一款整合有離線高PFC控制器和單/雙通道LED驅動器的高集成度器件。這些器件采用緊湊型TSSOP-16封裝，可針對各種連接照明設計實施優化的兩級拓撲架構，尤其是單通道可調光和雙通道可調白光LED設計。這些設計基于初級側調節（PSR）技術，無需次級反饋即可運行，因此它們不需要光耦合器，從而節省空間和物料清單成本。這些器件在準諧振（QR）模式下工作，MOSFET在漏極電壓的谷底處導通，能夠最大限度地降低開關損耗，從而提高了效率。
Power Integrations的 HiperPFS-4系列PFC控制器則定位于較高功率應用，這些IC均在單一封裝中集成了CCM升壓PFC控制器、柵極驅動器和600V功率MOSFET，可以進行垂直或水平安裝。HiperPFS-4器件采用創新的控制技術，可在輸出負載、輸入線電壓和輸入線路周期內調節開關頻率，無需外部電流檢測電阻即可實現高效率，并消除了相關的功率損耗。
這種控制技術不僅可以在整個負載范圍內最大限度地提高效率，而且由于它具有高帶寬擴頻效應，還可以最大限度地降低EMI濾波要求。雖然HiperPFS-4器件的主要核心仍然是模擬技術，但線路監控、前饋縮放（feed-forward scaling）和功率因數增強等關鍵功能都采用數字技術，大大降低了空載功耗。這些IC在整個負載范圍內具有平坦的效率，可以輕松滿足EN61000-3-2 Class C/D等現代效率標準。這些器件還可在低負載（20％）下實現高功率因數（>0.95），使其適用于LCD TV、筆記本電腦、電機、風扇和LED照明等應用。
圖1：Power Integrations的HiperPFS-4。
圖2：德州儀器（TI）的UCC28064A PFC控制器IC。
安森美半導體的NCP1622是一款增強型PFC控制器，專門針對驅動PFC升壓級而設計。它基于創新的谷值同步頻率折返（VSFF）技術，當用戶可編程控制電壓超過閾值時，器件通常以CrM模式工作。在此值以下，跳過功能可降低頻率直到控制電壓達到閾值。VSFF能夠確保在輕載和額定載荷下具有最高效率水平，特別是能夠減少待機損耗。即使在較低的工作頻率下，NCP1622也可以實現接近統一的功率因數。NCP1622包含熱關斷，過壓保護，過流限制和欠壓檢測等許多安全功能，該器件還能夠檢測并響應故障，例如斷開的反饋引腳，開路接地引腳或短路旁路二極管等等。NCP1622適用于所有需要PFC的離線應用以及PC電源和照明鎮流器（LED和熒光燈）等應用。
德州儀器（TI）的UCC28064A交錯式（interleaved）PFC控制器能夠提供更高的額定功率。該器件采用TI專有的自然交錯（Natural Interleaving）技術，兩個通道均能夠以相同頻率作為主設備運行， 可為每個交錯式通道提供更快的響應時間，更好的相間導通時間匹配（phase-to-phase on-time matching）和轉換模式運行。UCC28064A具有可調節閾值的內置突發模式功能，可在輕負載時實現高效率，從而能夠確保符合EUP Lot6 Tier II、CoC Tier II和DOE Level VI等具有挑戰性的待機功率標準。UCC28064A適用于所有類型的電視、一體式電腦、家庭音響系統和電源適配器等應用。德州儀器（TI）通過WEBENCH電源設計軟件提供各種支持。
總結
對于需要確定、購買或運營電力系統的任何人來說，他們總是希望在能源價格上漲的背景下更有效地管理運營成本，因而效率永遠是一個至關重要的話題。隨著能源標準的不斷演進，他們正在更加關注待機功率和輕載效率，以往這兩種情況下通常意味著性能顯著降低。考慮到這一實際情況以及滿足近乎統一的PFC需求，并確保功率不會浪費，所有這些為電源設計人員提出了一系列復雜的挑戰。然而，就高集成度和先進的PFC控制IC而言，設計人員可以有多種選擇方案，這些方案集成了許多創新的技術和特性，能夠滿足最新能效標準的嚴格要求。