【導讀】輸入橋式整流器的損耗是實現AC-DC電源單元(PSU)最佳能效的一個障礙。無橋圖騰柱功率因數校正(PFC)電源拓撲結構是個簡潔的解決方案
，它用四個有源開關器件取代了有損耗的橋式整流器和PFC FET以yi及ji升sheng壓ya二er極ji管guan。然ran而er
，這zhe種zhong拓tuo撲pu結jie構gou必bi須xu使shi用yong複fu雜za的de控kong製zhi算suan法fa，這zhe可ke能neng需xu要yao增zeng加jia一yi個ge昂ang貴gui的de微wei控kong製zhi器qi。控kong製zhi元yuan件jian的de成cheng本ben和he複fu雜za性xing對dui一yi些xie工gong程cheng團tuan隊dui來lai說shuo是shi采cai用yong該gai技ji術shu的de障zhang礙ai。本ben文wen所suo述shu的deNCP1680混合信號控製器提供了一個方案來解決這設計挑戰。

摘要

輸入橋式整流器的損耗是實現AC-DC電源單元(PSU)最佳能效的一個障礙。無橋圖騰柱功率因數校正(PFC)電源拓撲結構是個簡潔的解決方案
，它用四個有源開關器件取代了有損耗的橋式整流器和PFC FET以yi及ji升sheng壓ya二er極ji管guan。然ran而er，這zhe種zhong拓tuo撲pu結jie構gou必bi須xu使shi用yong複fu雜za的de控kong製zhi算suan法fa
，這zhe可ke能neng需xu要yao增zeng加jia一yi個ge昂ang貴gui的de微wei控kong製zhi器qi。控kong製zhi元yuan件jian的de成cheng本ben和he複fu雜za性xing對dui一yi些xie工gong程cheng團tuan隊dui來lai說shuo是shi采cai用yong該gai技ji術shu的de障zhang礙ai。本ben文wen所suo述shu的deNCP1680混合信號控製器提供了一個方案來解決這設計挑戰。

AC-DC電源無處不在，占全球能源消耗的很大比例，因此它們的能效與係統成本直接相關
，在更高的層麵上

，它有助於排放。在討論AC-DC電源時
，還有一個相關的參數也很重要--輸入功率因素。

如ru果guo線xian路lu電dian流liu和he線xian路lu電dian壓ya不bu具ju有you相xiang同tong的de正zheng弦xian波bo形xing和he相xiang位wei
，那na麼me電dian源yuan所suo吸xi收shou的de視shi在zai功gong率lv就jiu會hui高gao於yu必bi要yao值zhi。這zhe將jiang導dao致zhi能neng效xiao低di下xia

，並bing通tong過guo電dian網wang傳chuan播bo。可ke采cai用yong功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng(PFC)來解決這種低能效，而且PFC現在已經成為多個國家和地區的法定要求。

一個沒有有源功率因數校正的典型PSU容易比一個有校正的PSU多消耗70%的電流
，因此現在強製要求將PFC加入電路，且PFC值需接近1。

更確切地說，EMC標準如IEC61000-3-2
，對由失真的線路電流產生的高達40次的線路諧波功率進行了限製。80 PLUS認證計劃提倡80%的能效，相關於20%

、50%和100%負載下的能效。80 PLUS標準的最高水平被稱為“80+ Titanium標準”，它規定負載從10%到100%的能效至少為90%。

實現'80 + Titanium標準'能效合規性

主動校正功率因數的傳統方法是使用一個升壓轉換器，將整流電源電壓轉換成高於電源電壓峰值的直流電壓，圖1(左)。采用脈衝寬度調製來調節直流電壓
，同時迫使線路電流跟隨線路電壓波形。

該技術在連續、非連續和臨界導通模式下運行良好，易於控製
，與升壓電感器能量是否在每個周期內完全耗盡有關。然而，提高AC-DC轉換器能效的壓力也很大
，最嚴格的“80+ Titanium標準”規定服務器在230 V AC輸入
、50%負載時，能效最高達96%。

通常情況下，DC-DC級允許有2%的損耗，隻留下2%用於線路整流和PFC級
，但僅橋式整流器就容易損耗1%以上，在低壓時損耗最高可達1.7%左右。

圖1：傳統的(左)和(右)無橋圖騰柱PFC電路

因此

，我們開發了一種更有效的技術
，即無橋“圖騰柱PFC”(TPPFC)
，圖1(右)
，其中升壓二極管被同步整流器取代，使升壓晶體管和升壓二極管Q1和Q2的功能可互換
，具體取決於電源極性。現在隻需要兩個線路整流二極管，而且它們也可以是同步整流器Q3和Q4，如圖所示，以獲得更高能效。

如果有完美的開關、理想的電感器和無二極管壓降
，TPPFC電路的能效可接近100%。然而，真正的開關有導通和開關損耗，盡管可使用超低導通電阻的MOSFET(甚至並聯)來實現低導通損耗，但這必然會增加動態損耗。這意味著必須取得一種平衡。

動態損耗源於當其體二極管在開關“死區”時間內導通時配置為升壓同步整流器的MOSFET的反向恢複，也源於開關輸出電容的充電和放電。對能效的影響可能非常嚴重，以至於在連續導通模式下工作時
，矽MOSFET甚至是“超級結”類型在電路中都不可行。因此，必須考慮碳化矽和氮化镓的寬禁帶開關。

連續導通模式(CCM)zaigenggaodegonglvxiagengshouhuanying，yinweikaiguanhedianganqidefengzhidianliukeyishezhidehendi

，congerjianshaolejunfanggenzhi

，shidaotonghedianganqicixindesunhaobaochizaidishuiping。raner，zheshiyizhong“硬”開關模式，其反向恢複和輸出電容效應會導致高動態損耗。

在低功率下，非連續導通模式(DCM)具(ju)有(you)較(jiao)低(di)的(de)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)，因(yin)為(wei)此(ci)時(shi)升(sheng)壓(ya)二(er)極(ji)管(guan)的(de)電(dian)流(liu)已(yi)降(jiang)至(zhi)零(ling)，因(yin)此(ci)沒(mei)有(you)電(dian)荷(he)需(xu)要(yao)恢(hui)複(fu)。然(ran)而(er)，峰(feng)值(zhi)和(he)均(jun)方(fang)根(gen)電(dian)流(liu)可(ke)能(neng)無(wu)法(fa)控(kong)製(zhi)，導(dao)致(zhi)高(gao)歐(ou)姆(mu)和(he)磁(ci)芯(xin)損(sun)耗(hao)，因(yin)此(ci)該(gai)模(mo)式(shi)不(bu)適(shi)合(he)高(gao)功(gong)率(lv)。

臨界導通模式是個很好的折衷方案

一個很好的折衷辦法是在臨界導通模式或CrM模式下工作，可達幾百瓦
，采用交錯時可更高。在這種模式下，隨著負載電流或線路電壓的變化
，開關頻率被改變以迫使電路在CCM和DCM之間的邊界上運行。低導通損耗的好處得以保留


，同時將峰值電流限製在2倍的平均值，以實現合理的導通和磁芯損耗。(圖2)。

圖2：PFC升壓電感電流波形，臨界導通模式

雖然CrM的關斷會產生硬的開關換向，但升壓二極管的任何正向恢複都會導致一些損耗和輸出電壓過衝。CrM的可變開關頻率也有一個缺點
，即在輕載時，頻率可能非常高，產生更多的開關損耗
，降低能效。這關係由下式表示：

該等式意味著開關頻率與輸入功率的直接反比關係
，因此20%到100%的負載功率或5倍的變化應該會產生5倍bei的de頻pin率lv變bian化hua以yi實shi現xian恒heng定ding能neng效xiao。然ran而er，無wu論lun如ru何he，更geng高gao的de頻pin率lv會hui降jiang低di能neng效xiao，因yin此ci這zhe些xie因yin素su會hui相xiang互hu影ying響xiang。頻pin率lv和he均jun方fang根gen線xian路lu電dian壓ya之zhi間jian的de關guan係xi更geng為wei複fu雜za
，在zai線xian路lu範fan圍wei內nei產chan生sheng的de頻pin率lv變bian化hua通tong常chang超chao過guo2:1
，並在中間電壓處達到峰值。

CrM中的鉗位頻率降低輕載損耗

在輕載時

，能效下降可達10%，在試圖滿足待機或空載能耗限製時
，這是個真正的問題。解決這個問題的辦法是鉗位或 “反走”允許的最大頻率，在輕載時迫使電路進入DCM

，與CrM相比，峰值電流較低。

因yin此ci
，在zai整zheng個ge線xian路lu和he負fu載zai範fan圍wei內nei，中zhong等deng負fu載zai和he高gao能neng效xiao的de功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng的de一yi個ge好hao的de解jie決jue方fang案an是shi帶dai有you頻pin率lv箝qian位wei的de圖tu騰teng柱zhu架jia構gou。該gai電dian路lu應ying使shi用yong矽guiMOSFET的組合來進行交流電同步整流，並在高頻 “支路”上使用寬禁帶開關。

然而，控製這個電路是個挑戰
，需要驅動四個有源器件，檢測二極管零電流以強製在輕載時自動從CrM切換到DCM
，同(tong)時(shi)調(tiao)節(jie)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)並(bing)保(bao)持(chi)高(gao)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)。需(xu)要(yao)開(kai)關(guan)過(guo)流(liu)保(bao)護(hu)，以(yi)及(ji)輸(shu)出(chu)過(guo)壓(ya)檢(jian)測(ce)。所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)都(dou)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)在(zai)一(yi)個(ge)與(yu)開(kai)關(guan)和(he)檢(jian)測(ce)參(can)數(shu)接(jie)口(kou)的(de)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)中(zhong)實(shi)現(xian)複(fu)雜(za)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)來(lai)實(shi)現(xian)。

然而，該解決方案可能很貴
，且電源設計人員現在必須參與對器件進行編碼以獲得最佳性能--對於那些不熟悉的人來說
，這是一項令人生畏且耗時的任務。

混合信號TPPFC CrM控製器

安森美(onsemi)現在提供一個更簡單的解決方案
，而且不需要編碼。NCP1680被認為是業界唯一的混合信號CrM TTPFC控製器，它采用SOIC-16封裝。

該器件具有專有的低損耗電流檢測架構和經驗證的控製算法，是一種具有高性價比、低風險但高性能的解決方案。該器件具有恒定的CrM導通時間和在輕載下頻率反走期間的“穀底開關”，以在最低電壓下開關來提高能效。數字電壓控製環路經過內部補償，便於係統設計，在整個負載範圍內具有優化性能。

逐周期電流限製用於保護，不需要霍爾效應傳感器。圖3給出了一個簡化的原理圖
，顯示了使用NCP1680的圖騰柱PFC級。

圖3：使用NCP1680的簡化的TPPFC典型應用框圖

現有NCP1680的評估板(圖4)，使用GaN HEMT單元作為快速開關
，Si-MOSFET作為交流電同步整流器。

圖4：安森美的NCP1680評估板

該評估板在從90-265 V AC的395 V DC下提供300 W，且滿載能效峰值接近99%，在低至20%的負載下的整個電壓範圍內達到98%(圖5)。

圖5：安森美NCP1680評估板的能效曲線圖

隨著安森美推出寬禁帶半導體和高性價比的混合信號、臨界導通模式控製器
，圖騰柱PFC級成為功率達幾百瓦的高能效功率因數校正的理想解決方案，同時能夠符合80+ Titanium能效標準和待機及空載損耗的環保設計要求。

隨著每個垂直領域對更高能效的需求，使用CrM減少所有負載水平的損耗而實現的有源PFC的改進，將受到製造商、消費者和公用事業服務提供商的歡迎。工程師們現在就可以開始評估NCP1680，為所有應用領域的新產品開發帶來更高的能效水平。

（來源：安森美
，作者：Yong Ang）

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