【导读】输入桥式整流器的损耗是成功AC-DC电源单元(PSU)最佳能效的一个阻碍。无桥图腾柱功率因数校对(PFC)电源拓扑结构是个繁复的处置方案，它用四个有源开关器件取代了有损耗的桥式整流器和PFC FET以及升压二极管。但是，这种拓扑结构肯定经常使用复杂的控制算法，这或许须要参与一个低廉的微控制器。控制元件的老本和复杂性对一些工程团队来说是驳回该技术的阻碍。本文所述的NCP1680混合信号控制器提供了一个方案来处置这设计应战。

摘要

输入桥式整流器的损耗是成功AC-DC电源单元(PSU)最佳能效的一个阻碍。无桥图腾柱功率因数校对(PFC)电源拓扑结构是个繁复的处置方案，它用四个有源开关器件取代了有损耗的桥式整流器和PFC FET以及升压二极管。但是，这种拓扑结构肯定经常使用复杂的控制算法，这或许须要参与一个低廉的微控制器。控制元件的老本和复杂性对一些工程团队来说是驳回该技术的阻碍。本文所述的NCP1680混合信号控制器提供了一个方案来处置这设计应战。

AC-DC电源无处不在，占环球动力消耗的很大比例，因此它们的能效与系统老本间接相关，在更高的层面上，它有助于排放。在探讨AC-DC电源时，还有一个相关的参数也很关键--输入功率起因。

假设线路电流和线路电压不具备相反的正弦波形和相位，那么电源所排汇的视在功率就会高于必要值。这将造成能效低下，并经过电网流传。可驳回功率因数校对(PFC)来处置这种低能效，而且PFC如今曾经成为多个国度和地域的法定要求。

一个没有有源功率因数校对的典型PSU容易比一个有校对的PSU多消耗70%的电流，因此如今强迫要求将PFC参与电路，且PFC值需凑近1。

更确切地说，EMC规范如IEC61000-3-2，对由失真的线路电流发生的高达40次的线路谐波功率启动了限度。80 PLUS认证方案倡议80%的能效，相关于20%、50%和100%负载下的能效。80 PLUS规范的最高水平被称为“80+ Titanium规范”，它规则负载从10%到100%的能效至少为90%。

成功'80 + Titanium规范'能效合规性

被动校对功率因数的传统方法是经常使用一个升压转换器，将整流电源电压转换成高于电源电压峰值的直流电压，图1(左)。驳回脉冲宽度调制来调理直流电压，同时迫使线路电流追随线路电压波形。

该技术在延续、非延续和临界导通形式下运转良好，易于控制，与升压电感器能量能否在每个周期内齐全耗尽无关。但是，提高AC-DC转换器能效的压力也很大，最严厉的“80+ Titanium规范”规则主机在230 V AC输入、50%负载时，能效最高达96%。

理论状况下，DC-DC级准许有2%的损耗，只留下2%用于线路整流和PFC级，但仅桥式整流器就容易损耗1%以上，在高压时损耗最高可达1.7%左右。

图1：传统的(左)和(右)无桥图腾柱PFC电路

因此，咱们开发了一种更有效的技术，即无桥“图腾柱PFC”(TPPFC)，图1(右)，其中升压二极管被同步整流器取代，使升压晶体管和升压二极管Q1和Q2的性能可调换，详细取决于电源极性。如今只有要两个线路整流二极管，而且它们也可以是同步整流器Q3和Q4，如图所示，以取得更高能效。

假设有完美的开关、现实的电感器和无二极管压降，TPPFC电路的能效可凑近100%。但是，真正的开关有导通和开关损耗，虽然可经常使用超低导通电阻的MOSFET(甚至并联)来成功低导通损耗，但这肯定会参与灵活损耗。这象征着肯定取得一种平衡。

灵活损耗源于当其体二极管在开关“死区”时期内导通时性能为升压同步整流器的MOSFET的反向复原，也源于开关输入电容的充电和放电。对能效的影响或许十分重大，以致于在延续导通形式下上班时，硅MOSFET甚至是“超级结”类型在电路中都无法行。因此，肯定思考碳化硅和氮化镓的宽禁带开关。

延续导通形式(CCM)在更高的功率下更受欢迎，由于开关和电感器的峰值电流可以设置得很低，从而缩小了均方根值，使导通和电感器磁芯的损耗坚持在低水平。但是，这是一种“硬”开关形式，其反向复原和输入电容效应会造成高灵活损耗。

在低功率下，非延续导通形式(DCM)具备较低的导通损耗，由于此时升压二极管的电流已降至零，因此没有电荷须要复原。但是，峰值和均方根电流或许无法控制，造成高欧姆和磁芯损耗，因此该形式不适宜高功率。

临界导通形式是个很好的折衷方案

一个很好的折衷方法是在临界导通形式或CrM形式下上班，可达几百瓦，驳回交织时可更高。在这种形式下，随着负载电流或线路电压的变动，开关频率被扭转以迫使电路在CCM和DCM之间的边界上运转。低导通损耗的好处得以保管，同时将峰值电流限度在2倍的平均值，以成功正当的导通和磁芯损耗。(图2)。

图2：PFC升压电感电流波形，临界导通形式

虽然CrM的关断会产僵硬的开关换向，但升压二极管的任何正向复原都会造成一些损耗和输入电压过冲。CrM的可变开关频率也有一个缺陷，即在轻载时，频率或许十分高，发生更多的开关损耗，降低能效。这相关由下式示意：

该等式象征着开关频率与输入功率的间接正比相关，因此20%到100%的负载功率或5倍的变动应该会发生5倍的频率变动以成功恒定能效。但是，无论如何，更高的频率会降低能效，因此这些起因会相互影响。频率和均方根线路电压之间的相关更为复杂，在线路范围内发生的频率变动理论超越2:1，并在两边电压处到达峰值。

CrM中的钳位频率降低轻载损耗

在轻载时，能效降低可达10%，在试图满足待机或空载能耗限度时，这是个真正的疑问。处置这个疑问的方法是钳位或 “反走”准许的最大频率，在轻载时迫使电路进入DCM，与CrM相比，峰值电流较低。

因此，在整个线路和负载范围内，中等负载和高能效的功率因数校对的一个好的处置方案是带有频率箝位的图腾柱架构。该电路应经常使用硅MOSFET的组合来启动交换电同步整流，并在高频 “支路”上经常使用宽禁带开关。

但是，控制这个电路是个应战，须要驱动四个有源器件，检测二极管零电流以强迫在轻载时智能从CrM切换到DCM，同时调理输入电压并坚持高功率因数。须要开关过流包全，以及输入过压检测。一切这些都可以经过在一个与开关和检测参数接口的微控制器中成功复杂的控制算法来成功。

但是，该处置方案或许很贵，且电源设计人员如今肯定介入对器件启动编码以取得最佳性能--关于那些不相熟的人来说，这是一项令人生畏且耗时的义务。

混合信号TPPFC CrM控制器

安森美(onsemi)如今提供一个更便捷的处置方案，而且不须要编码。NCP1680被以为是业界惟一的混合信号CrM TTPFC控制器，它驳回SOIC-16封装。

该器件具备专有的低损耗电流检测架构和阅历证的控制算法，是一种具备高性价比、低危险但高性能的处置方案。该器件具备恒定的CrM导通时期和在轻载下频率反走时期的“谷底开关”，以在最低电压下开关来提高能效。数字电压控制环路经过外部补救，便于系统设计，在整个负载范围内具备提升性能。

逐周期电流限度用于包全，不须要霍尔效应传感器。图3给出了一个简化的原理图，显示了经常使用NCP1680的图腾柱PFC级。

图3：经常使用NCP1680的简化的TPPFC典型运行框图

现有NCP1680的评价板(图4)，经常使用GaN HEMT单元作为极速开关，Si-MOSFET作为交换电同步整流器。

图4：安森美的NCP1680评价板

该评价板在从90-265 V AC的395 V DC下提供300 W，且满载能效峰值凑近99%，在低至20%的负载下的整个电压范围内到达98%(图5)。

图5：安森美NCP1680评价板的能效曲线图

随着安森美推出宽禁带半导体和高性价比的混合信号、临界导通形式控制器，图腾柱PFC级成为功率达几百瓦的高能效功率因数校对的现实处置方案，同时能够合乎80+ Titanium能效规范和待机及空载损耗的环保设计要求。

随着每个垂直畛域对更高能效的需求，经常使用CrM缩小一切负载水平的损耗而成功的有源PFC的改良，将遭到制作商、生产者和专用事业服务提供商的欢迎。工程师们如今就可以开局评价NCP1680，为一切运行畛域的新产品开发带来更高的能效水平。

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标签： 图腾柱、 PFC技术、

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