功率因數(shù)改善與高效的ROHM最新AC/DC電源技術(shù)

在電子設(shè)備開發(fā)中，電源的高效化已經(jīng)逐年成為重要主題。另外，不僅是面臨電力能源問題的日本，在全世界的發(fā)電和輸電相關(guān)的電力公司，功率因數(shù)改善設(shè)備的普及與高效率同樣是重中之重。在此介紹同時(shí)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備工作時(shí)的功率因數(shù)改善與待機(jī)時(shí)的高效率的AC/DC電源技術(shù)。

1. 功率因數(shù)與功率因數(shù)改善電路(PFC:Power factor correction)

功率因數(shù)是指是否將電力公司生產(chǎn)的電力毫無損耗地輸送到電子設(shè)備的數(shù)值;效率是指是否將該電力毫無損耗地

轉(zhuǎn)換的數(shù)值。當(dāng)交流電力的電壓與電流的相位差為φ時(shí)，按功率因數(shù)=COSφ求得功率因數(shù)，當(dāng)電壓與電流沒有相位差，即正弦波時(shí)功率因數(shù)為1。

簡單地說，單純的電阻負(fù)載時(shí)，電壓與電流波形不發(fā)生相位延遲，因此，功率因數(shù)為1(圖1)

[圖1] 功率因數(shù)為1時(shí)的波形與電路例

但是，在現(xiàn)代電子設(shè)備中，開關(guān)電源的應(yīng)用廣泛，為使輸入的交流電壓平滑，一般使用電容器(稱為電容輸入型整流濾波)。通過這種濾波用電容負(fù)載，只有在比濾波電容電壓還高時(shí)輸入交流電壓才會(huì)流過，因此導(dǎo)通角變小，電流波形成為含有高頻成分的非正弦波電流(圖2)。

[圖2] 高頻電流時(shí)的波形和電路例

因此，即使消耗了相同功率，在電源側(cè)也會(huì)流過瞬時(shí)大電流(比如功率因數(shù)為0.5時(shí)，與功率因數(shù)為1時(shí)相比，峰值電流高達(dá)2倍)，電力公司針對這種含有高頻成分的非正弦波電流，花費(fèi)了額外發(fā)電和設(shè)備損壞事故的對策用的巨大費(fèi)用。

為防止這些問題的發(fā)生，世界各國對特定功率以上的設(shè)備實(shí)行高頻電流限制，并反映在各國的國內(nèi)法規(guī)及執(zhí)行上。滿足這些限制的手段之一是利用功率因數(shù)改善電路(PFC)，將輸入電流波形變?yōu)榻咏也?，從而抑制高頻電流。

作為這種功率因數(shù)改善的手段，一般采用使用了無源元件(電感)的無源方式和使功率元器件開關(guān)的有源方式。無源方式的電路結(jié)構(gòu)簡單，但難以滿足更寬的輸入電壓范圍，小型化也很難。與之相對的有源方式則可滿足更寬的輸入電壓范圍，有利于小型化(圖3)。

[圖3] 功率因數(shù)改善前后的電流波形比較

這種有源方式的功率因數(shù)改善電路(PFC)從效率的角度看，因自身功耗而導(dǎo)致效率下降。尤其在具有待機(jī)模式的現(xiàn)代電子設(shè)備中尤為顯著。

2. 同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)改善電路與高效率

ROHM開發(fā)出了同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)改善電路與高效率的、內(nèi)置PFC控制功能的AC/DC轉(zhuǎn)換器IC(BM1C001F)。本產(chǎn)品搭載了以任意功率開/關(guān)功率因數(shù)改善電路(PFC)控制器的功能和PFC輸出新控制方式。通過這些技術(shù)，不僅大幅降低了待機(jī)功耗，而且還有助于滿足國際標(biāo)準(zhǔn)能源之星6.0所規(guī)定的水平。另外，通過集成功率因數(shù)改善電路(PFC)控制器與準(zhǔn)諧振電路(QR)控制器，與以往相比，還可減少20%的零部件數(shù)量，有助于實(shí)現(xiàn)電源的小型化。

<新產(chǎn)品的特點(diǎn)>

(1)通過搭載PFC控制器ON/OFF設(shè)定功能，改善了輕負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)換效率，并降低了待機(jī)時(shí)功耗(圖4)

[圖4] PFC控制器ON/OFF設(shè)定功能圖

?監(jiān)測二次側(cè)的負(fù)載功率，并針對該功率對PFC控制器進(jìn)行ON/OFF控制，尤其有助于提升在無需PFC的負(fù)載范圍

(75W以下)的電源轉(zhuǎn)換效率。?在100W級(jí)的電源中使用本IC產(chǎn)品時(shí)，使用我公司的評(píng)估板，待機(jī)功耗在AC100V時(shí)為85mW以下，AC230V時(shí)為190mW以下，滿足能源之星6.0(美國環(huán)境保護(hù)署制定)所規(guī)定的210mW以下的要求。

(2)利用ROHM獨(dú)有的PFC輸出新控制方式，針對世界各國的AC輸入電源均可實(shí)現(xiàn)更高效率(圖5)

[圖5] PFC輸出新控制方式圖

?世界各國的AC電源輸入范圍不同，以往的PFC IC的輸出電壓設(shè)定是恒定的，因此，當(dāng)升壓比較大時(shí)(例如，AC100V輸入時(shí)的PF輸出為400V時(shí)等)，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗增大，效率降低。本產(chǎn)品通過搭載PFC輸出新控制方式，輸出符合AC輸入電壓的PFC輸出電壓，從而可抑制功率因數(shù)改善電路(PFC)的效率降低現(xiàn)象。

例如，100W級(jí)的電源中，隊(duì)AC100V輸入時(shí)的效率進(jìn)行比較，與PFC輸出固定的情況相比，預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)換效率可提升約2%。

(3)采用有利于高效率、低噪音的準(zhǔn)諧振電路

這種方式，由于有助于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)和低EMI的開關(guān)MOSFET和電流檢測電阻為外置方式，因此，電源設(shè)計(jì)的自由度更高。另外，內(nèi)置脈沖功能，實(shí)現(xiàn)了輕負(fù)載高效率。

(4)功率因數(shù)改善電路(PFC)控制器與準(zhǔn)諧振電路(QR)一體化封裝，使零部件數(shù)量大大減少

通過一體化封裝，可減少通用設(shè)計(jì)部分的零部件數(shù)量，與各自獨(dú)立的情況相比，零部件數(shù)量成功減少約20%。

3. 卓越的電源產(chǎn)品開發(fā)體制與完善的服務(wù)支持體制

在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，并非僅有好的IC即可組成好的電源。要想打造最佳的電源電路，除了IC選型以外，還需要電

容、線圈和變壓器繞組設(shè)計(jì)等無源器件的選型以及PCB底片(Artwork)等眾多設(shè)計(jì)訣竅。因此，選擇能夠支持其應(yīng)用設(shè)計(jì)的制造商與選擇IC同等重要。

ROHM不僅開發(fā)并銷售LSI產(chǎn)品，還備有支持客戶設(shè)計(jì)的專職隊(duì)伍。可配合用戶要求的規(guī)格(輸出電壓、輸出電流等)，提供最佳的電源設(shè)計(jì)方案。

他們將與AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器以及MOSFET、二極管、電阻等分立元件一起為客戶提供綜合電路設(shè)計(jì)支持。