如何選擇最優(yōu)的190 W纖薄PFC電源段方案？

　　大多數(shù)功率因數(shù)校正(PFC)電源段采用臨界導(dǎo)電模式(CrM)工作，這種模式控制電感電流從零躍升至期望的峰值電平，然后又降至零。由于這種模式依賴于電流周期的時(shí)長(zhǎng)，故開(kāi)關(guān)頻率以交流線路電流需求的函數(shù)形式變化。不利的是，功率需求較低時(shí)，從交流線路流入的電流較小，開(kāi)關(guān)頻率“飆升”。這樣一來(lái)，采用大電感就是將開(kāi)關(guān)損耗和干擾降到可接受水平的唯一方式。

　　頻率鉗位臨界導(dǎo)電模式(FCCrM)是安森美半導(dǎo)體NCP1606或NCP1631等控制器嵌入的一種技術(shù)。采用這種模式工作時(shí)，在高負(fù)載條件下，功率因數(shù)校正段以CrM工作，但在中等負(fù)載/輕載條件下( )，限制開(kāi)關(guān)頻率以提升能效。與傳統(tǒng)CrM電路相比，F(xiàn)CCrM支持使用更小的電感(見(jiàn)參考資料[1])。實(shí)際上，交錯(cuò)式FCCrM PFC似乎進(jìn)一步縮減了磁性元件的尺寸及成本。這些優(yōu)勢(shì)在190 W低高度電源中得以展現(xiàn)。

　　本文在參考資料[1]所示文章基礎(chǔ)上進(jìn)一步推進(jìn)研究，在相同的190 W寬主電源輸入范圍、最大厚度13 mm的應(yīng)用中探究總體PFC成本問(wèn)題。

　　電感考慮事項(xiàng)表1重提了參考資料[1]的主要結(jié)論。由于FCCrM鉗位開(kāi)關(guān)頻率，就不需要大電感來(lái)拉低CrM開(kāi)關(guān)頻率范圍。因此，F(xiàn)CCrM大幅減小PFC段電感尺寸，采用交錯(cuò)式FCCrM方案時(shí)尤為如此。事實(shí)上，如表1所述，可以選擇下述磁性元件用于190 W(輸入功率)、寬主電源范圍、最大厚度13 mm的電視應(yīng)用：

　　?CrM方案：兩個(gè)EFD30串聯(lián)

　　?FCCrM方案：?jiǎn)蝹€(gè)EFD30

　　?交錯(cuò)式FCCrM方案：兩個(gè)EFD20(每個(gè)支路一個(gè))

　　橫向比較

　　下一步，為了比較不同方案，我們以300 W的46英寸液晶電視電源參考板(見(jiàn)參考資料[2])作實(shí)驗(yàn)來(lái)比較這三種PFC方案。此參考板由安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)，嵌入了由NCP1631(見(jiàn)參考資料[3])驅(qū)動(dòng)的FCCrM交錯(cuò)式PFC。我們利用這電路板來(lái)比較我們190 W應(yīng)用的三種方案。由于本應(yīng)用中集成的電感與表1中定義的電感不同(本應(yīng)用中原線圈尺寸針對(duì)的是300 W功率)，首要修改此應(yīng)用，確保能夠使用2個(gè)EFD20元件。第二步， 動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)電路，測(cè)試CrM和FCCrM單相方案。就每項(xiàng)測(cè)試而言，PFC段的設(shè)計(jì)要使得三種方案的能效保持在接近相同的水平。

　　在圖1中，我們可以看到采用調(diào)整后的交錯(cuò)式配置的電路板，這可從兩個(gè)“飛跨”(flying)電感得到證實(shí)；圖2顯示的則是如何應(yīng)用CrM控制器(即NCP1607，見(jiàn)參考資料[4])，而非原有的NCP1631交錯(cuò)式驅(qū)動(dòng)器。

　　各種方案參數(shù)對(duì)比

　　不同的方案中，電感并不必然是唯一需要修改的元件。PFC段必須根據(jù)所測(cè)試的方案來(lái)調(diào)整。表2小結(jié)了構(gòu)建這三種方案使用的經(jīng)過(guò)了實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證的主要設(shè)計(jì)指引。

　　交錯(cuò)式PFC包含兩個(gè)支路，每個(gè)支路各傳輸總功率的50%。因此，這種方案采用的元器件數(shù)量更多，但尺寸更小。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里就不具體的交錯(cuò)式設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。但如參考資料[5]中所詳細(xì)介紹的，交錯(cuò)式技術(shù)能夠優(yōu)化下列元器件：

　　-功率MOSFET：在每個(gè)支路，MOSFET均方根(rms)電流僅為單相CrM或FCCrM PFC段中使用的11 A MOSFET的電流的一半。兩顆5 A MOSFET替代了11 A MOSFET。

　　-升壓二極管：同樣，每個(gè)支路的升壓二極管傳輸?shù)碾娏魇强傠娏鞯囊话搿Ｒ虼?，各個(gè)支路就有可能使用較小的MUR160。

　　-大電容：交錯(cuò)式方案迫使兩個(gè)支路異相(out-of-phase)工作，旨在大幅降低大電容的均方根電流(降至0.8 A而非1.3 A)。這樣，就可能使用2個(gè)39 μF/450 V電容，而非3個(gè)。

　　-電磁干擾(EMI)濾波器：交錯(cuò)式方案也削弱了電流紋波。例如，根據(jù)參考資料[5]所示，在典型寬主電源電壓應(yīng)用中，峰值到峰值紋波在0至60%之間變化。減小的紋波簡(jiǎn)化了差模濾波。如圖3所示，交錯(cuò)式PFC采用了10 μH電感來(lái)通過(guò)EN55022規(guī)范，而單相CrM(或FCCrM) PFC要求使用50 μH差模線圈。

FCCrM與CrM單相方案采用幾乎相同的功率元器件，因?yàn)樗鼈冊(cè)谥刎?fù)載條件下采用相同方式工作，器件的參數(shù)也是針對(duì)重負(fù)載條件工作而選定的。但如前所述，F(xiàn)CCrM方案中使用的電感尺寸更小。(單FCCrM方案段中)使用了單個(gè)200 μH EFD30線圈，而非兩個(gè)串聯(lián)的200 μH EFD30線圈。顯而易見(jiàn)的是，控制器也變了。CrM方案采用NCP1607驅(qū)動(dòng)(見(jiàn)參考資料[4])。為了方便起見(jiàn)，沒(méi)有使 用特別控制器來(lái)測(cè)試FCCrM單相方案，相反，我們復(fù)用了參考板中使用的NCP1631交錯(cuò)式FCCrM控制器，只是簡(jiǎn)單地關(guān)閉驅(qū)動(dòng)第二個(gè)支路的輸出，從而獲得單相FCCrM工作。

小結(jié)

　　表3小結(jié)了三種方案的設(shè)計(jì)差別，其中根據(jù)所選擇的方案列舉了可能選擇的主要元器件，其中包括控制器(單相方案中采用了專用FCCrM控制器NCP1605而非NCP1631)。根據(jù)這些設(shè)計(jì)差別推算成本優(yōu)劣勢(shì)，可以看出交錯(cuò)式方案是性價(jià)比最高的方案。單相FCCrM是成本第二低的方案，而傳統(tǒng)CrM方案成本最高！如果以CrM方案作為參照，其它方案提供的優(yōu)勢(shì)小結(jié)如下(見(jiàn)表1)：

　　表3-FCCrM單相方案少用一個(gè)EFD30電感

　　-FCCrM交錯(cuò)式方案也減小磁性元件(使用兩個(gè)EFD20而非兩個(gè)EFD30)， 但進(jìn)一步節(jié)省一個(gè)39 μF/450 V電容，從而能夠使用較小的差模扼流圈，并采用更小、更便宜的MOSFET及升壓二極管工作。

　　計(jì)算出精確的成本優(yōu)勢(shì)很困難。但是，仍然以CrM方案作為參照，并顧及(大批量)消費(fèi)市場(chǎng)的成本結(jié)構(gòu)，可以粗略估計(jì)出交錯(cuò)式PFC方案具有0.5美元的成本優(yōu)勢(shì)，而(單相式)FCCrM的成本優(yōu)勢(shì)減半。

　　FCCrM單相及交錯(cuò)式方案總體上更便宜，盡管用于驅(qū)動(dòng)它們的控制器(分別是NCP1605和NCP1631)成本更高。這兩款I(lǐng)C集成了比NCP1607 CrM控制器更多的功能，如輸入欠壓保護(hù)、待機(jī)管理功能，或在大電壓不是額定值時(shí)關(guān)閉下行轉(zhuǎn)換器的“pfcOK”信號(hào)。這些額外特性能夠幫助最終應(yīng)用節(jié)省元器件，因此進(jìn)一步增強(qiáng)FCCrM單相及交錯(cuò)式方案的成本優(yōu)勢(shì)。

　　結(jié)論

　　雖然通常人們認(rèn)為單相CrM方案是200 W及以下功率應(yīng)用最便宜的PFC方案，但本文的研究顯示，F(xiàn)CCrM交錯(cuò)式方案實(shí)際上是我們所舉190 W應(yīng)用性價(jià)比最高的方案。當(dāng)我們仔細(xì)考慮其特別優(yōu)勢(shì)時(shí)，這個(gè)結(jié)論完全不奇怪。交錯(cuò)式方案要求更多的元器件，但它們尺寸更小，成本更低。此外，輸入及輸出電流紋波減小也支持使用更廉價(jià)的EMI濾波器及大電容。最后，F(xiàn)CCrM工作大幅減小電感尺寸，這種特性使得單相FCCrM方案優(yōu)于單相CrM方案。顯而易見(jiàn)的是，這些研究結(jié)論尤為適用于低高度(13 mm)裝置，但在元器件選擇靈活度更高的其它應(yīng)用中仍然適用。

　　參考資料

　　[1] 《減小電感尺寸，設(shè)計(jì)纖薄的PFC段》，《電子設(shè)計(jì)技術(shù)》2010年9月刊， http://article.ednchina.com/Other/Reduce_the_inductor_size_the_design_of_the_PFC_power_supply_section_of_thin.htm

　　[2] 參考設(shè)計(jì)，http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/TND401-D.PDF

　　[3] NCP1631數(shù)據(jù)表，http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/NCP1631-D.PDF

　　[4] NCP1607數(shù)據(jù)表，http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/NCP1607-D.PDF

　　[5] “交錯(cuò)式PFC特性”，應(yīng)用注釋AND8355，http://www.onsemi.cn/pub/Collateral/AND8355-D.PDF