為電源設(shè)計(jì)選擇適合的功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)

2004年4月B版

　　以往，大多數(shù)D類設(shè)備電源都使用某種形式的有源功率因數(shù)校正(PFC)電路來獲得最高的功率因數(shù)。這是因?yàn)樵瓉淼腄類設(shè)備包括了幾乎所有采用75~600W電源的電子設(shè)備?，F(xiàn)在，新法規(guī)規(guī)定D類設(shè)備僅包括個(gè)人計(jì)算機(jī)、PC監(jiān)視器和電視接收機(jī)等。這意味著對(duì)于許多原來屬于D類的設(shè)備，電源能否達(dá)到高功率因數(shù)已經(jīng)不再是關(guān)鍵性的要求。在許多情況下，對(duì)于更寬松的A類諧波含量要求，特別是250W以下的情況，可以避免采用有源功率因數(shù)校正方法。

　　例如，在以前的D類法規(guī)中，180W的電源僅允許0.765A的三次諧波。而對(duì)于同樣的設(shè)備，A類要求的允許值提高到2.3A，是原來的三倍。這一變化使得電源不再需要復(fù)雜且昂貴的單級(jí)和雙級(jí)有源功率因數(shù)校正電路，設(shè)計(jì)人員可以利用簡單的無源濾波器來滿足要求(參看表1和2)。這一變化促使電源設(shè)計(jì)人員更細(xì)致地考察所有可用的功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)。

無源PFC技術(shù)

　　無源功率因數(shù)校正電路(圖2)采用低頻濾波器元件來減少諧波。這種方法通?？蓾M足功率在250W以下的企業(yè)網(wǎng)(EN)A類設(shè)備法規(guī)要求，與采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)的開關(guān)電源相比，成本則要低得多。更少的元件數(shù)量以及不再使用有源開關(guān)和控制電路也意味著更高的可靠性以及更小的尺寸。同時(shí)，與有源電路相比，無源濾波器的效率損失也較低。

　　無源功率因數(shù)校正技術(shù)的缺點(diǎn)是功率因數(shù)通常僅可達(dá)到0.60~0.70，而且與有源結(jié)構(gòu)不同，無源結(jié)構(gòu)需要電壓倍增電路才能在高于150W的電源中使用。如果設(shè)計(jì)中需要考慮維持足夠的保持時(shí)間的話，還需要一個(gè)較大的電容器。

　　當(dāng)選用無源PFC技術(shù)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要考慮到大多數(shù)無源濾波器是針對(duì)滿足在給定輸入功率水平(典型公差為20%)情況下的A類諧波要求而設(shè)計(jì)的。這樣，通過兩個(gè)電源并聯(lián)來提高或加倍系統(tǒng)功率的作法就行不通了，因?yàn)閮蓚€(gè)或更多電源所吸入的電流會(huì)使諧波增加超出EN要求。幸運(yùn)的是，仍然可通過并聯(lián)的方式來提供一種電源冗余工作模式，由兩個(gè)或更多個(gè)電源共擔(dān)負(fù)載并且仍然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，條件是系統(tǒng)消耗的總功率不能超過單個(gè)電源的額定功率值。

雙級(jí)有源PFC技術(shù)

　　大多數(shù)雙級(jí)PFC設(shè)計(jì)都采用了如圖3所示的升壓變換器結(jié)構(gòu)。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括高功率因數(shù)(典型值可大于0.98)、總諧波失真低(THD典型值小于5%)以及可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)寬范圍交流工作。高穩(wěn)壓總線電壓(400V直流)允許采用較小的電容來獲得所需要的保持時(shí)間，以及更高效的進(jìn)行下變換器設(shè)計(jì)。

　　有源PFC變換器的缺點(diǎn)是需要成本更高也更復(fù)雜的有源電路，典型的效率損失為5~10%，同時(shí)為了平衡功耗和所產(chǎn)生的EMI，尺寸會(huì)變得更大。另一個(gè)缺點(diǎn)是應(yīng)用于采用DC/DC、中間總線結(jié)構(gòu)(IBA)或負(fù)載點(diǎn)(POL)變換器的分布式電源結(jié)構(gòu)(DPA)中時(shí)，系統(tǒng)會(huì)有三或四級(jí)，從而影響到效率和總成本。盡管如此，在250W以上的大功率應(yīng)用中，有源PFC仍然是最好的結(jié)構(gòu)選擇。

　　規(guī)定諧波失真的EN61001-3-2標(biāo)準(zhǔn)已頒布以及分布式電源結(jié)構(gòu)(DPA)越來越流行，這兩個(gè)因素相結(jié)合正在改變OEM電源制造商對(duì)于功率因數(shù)校正的看法?？梢酝ㄟ^探索和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有以及新興的技術(shù)來提高開關(guān)電源(SMPS)設(shè)計(jì)的可靠性、性能和成本效率?！?