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作者：孫博生，系統工程師 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校正 (PFC)。功率因數校正可強制輸入電流隨輸入電壓的變化而發生變化，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為一個電阻。這一點對于很多服務器、電信和工業應用是必須滿足的要求。在這些應用中，對于能效和電能質量的要求已經變得越來越嚴格。評判PFC性能的最重要標準是效率，總諧波失真 (THD)，和功率因數 (PF)。借助于全新半導體器件和控制方法，最新式的PFC電路已經在中度和重度負載情況下實現了極佳性能。然而，在輕負載條件下，效率，THD和PF性能嚴重降低。 
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，半導體元件的開關損耗、驅動損耗和反向恢復損耗成為影響效率的主要因素。同時，PFC有可能從連續傳導模式 (CCM) 轉換為斷續傳導模式 (DCM)，這一轉換使得轉換器動態性能突然發生變化，并且電流環帶寬大大減少。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，當負載被減少到小于預定的閥值時，PFC進入一個特殊的突發模式。在這個模式下，根據負載的大小，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關閉，而在下一個交流周期到來時重新打開。打開/關閉情況出現在交流零交叉點上，這樣的話就跳過了整個交流周期。此外，由于PFC打開/關閉出現在電流為零的時候，所以產生的應力和電磁干擾 (EMI) 噪聲會更小。這一點與傳統脈寬調制 (PWM) 脈沖跳躍突發模式不同；在這種模式下，PWM脈沖被隨機跳過。將被跳過的交流周期數量與負載成反比。如果負載持續減少到閥值以下，將會有更多的交流周期被跳過。按照負載與將被跳過的周期數量之間的關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時可跳過的最大交流周期數量。圖表3顯示了在不同負載下跳過的四個不同數量的交流周期。
一旦PFC關閉，開關損耗、驅動損耗和反向恢復損耗全部減少為零，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閉期間的功率進行補償。由于現在PFC在中度負載中運行或者完全關閉以跳過交流周期，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模式所帶來的效率和THD方面的改進。
需要注意的是，當PFC關閉來跳躍交流周期時，需要將電流環路和電壓環路凍結。否則的話，這些環路中的積分器發生累積，在PFC重新打開時生成一個較大的PWM 脈沖，這個脈沖會導致一個很大的電流尖峰。 為了確定PFC是否進入輕負載狀態，需要監視負載信息。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電壓環路輸出與負載成比例。因此，環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量的交流周期才能將輸出電壓紋波保持在額定范圍內，那么就需要準確的負載信息。由于電路中有一個測量PFC電流環路穩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轉換器 (ADC) 進行監視，然后這些轉換器可被用來計算實際的輸入功率。這些準確的輸入功率信息可被用來精確地調節將被跳過的交流周期的數量。無需任何額外硬件。要獲得準確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期間的壓降。假定PFC關閉時出現負載升壓，VOUT 有可能會下降很多。為了解決這個問題，用比較器將VOUT 與預定閥值進行比較。一旦VOUT 低于這個閥值，PFC將立即退出突發模式，交流周期跳躍被禁用，并且PFC返回到正常運行。這種處理瞬態響應的方法就好像沒有特殊突發模式一樣。圖表6顯示交流周期跳躍期間0至100% 的負載瞬態效應。需要注意的是，瞬態期間的VOUT 壓降只有27V，這一壓降值對于-一個360W PFC來說很正常。
結論 全新的PFC 突發模式可以在PFC 運行在輕負載條件下時實現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/關閉，電路應力和EMI噪聲被相應地減少。可以根據負載來精確地調節將被跳過的交流周期數量，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。如果負載瞬態在PFC關閉時出現，突發模式被立即禁用，而由PFC正常處理負載瞬態效應。最后，可使用一個數字控制器來輕松實現此功能，而無需其他硬件。 |
