引言：技术驱动型社会对于生态的影响近来受到了极大关注，这类动向经常成为新闻头条，并影响政府决策。社会对可用能源的需求在不断增加，而相关成本继续上升。因此，制造具有更高功率效率的电子系统是一个重要话题，而所有的设计决策现在基本都在围绕这一目标。最新的行业标准不仅要适用于特定的应用条件，而且要求更准确地反映整个负载范围内的效率水平，包括从轻载条件到满负载情况。本文探讨了如何更好地实施功率因数校正（PFC）来显著提高效率，还将详细介绍一些为实现该目标而推出的下一代PFC控制器IC。

　　如今，能源是一个非常有新闻价值的话题，全世界都认识到向可再生能源转移的重要性，而不是继续依赖正在不断耗尽且对环境有害的化石燃料。政府机构也试图通过提高产品效率来限制能源成本的上涨，这也经常成为头条新闻。随着我们在日常生活的各个方面越来越多地使用各种技术，对于能源的需求也在不断增加。当更大的绝对数量伴随着单位成本的不断上升，这会为消费者带来大量的能源费用，并影响商业能源用户的预算。

　　在许多情况下，无论是用于家庭还是商业用途，能源效率正在成为购买新设备的重要选择标准。过去，制造商引用的“最佳可能”效率数据在某种程度上误导了消费者，因为设备很少在这个最佳点运行，实际效率低很多，因此导致较高的运营成本。

　　为了解决这个问题，标准机构、行业协会和政府已经制定了新标准，要求提供从轻载到满载范围内的最低效率水平。在功率系统设计人员寻找满足已经实施法规指导方针时，他们将重点放在功率因数校正（PFC）层面， 并将其视为可以节省成本的所在。一些估算表明，PFC级加上EMI滤波器，可以消耗接近系统有用功率的十分之一。

　　为什么PFC很重要？

　　对于简单的电阻性负载，PFC无关紧要，其中电流和电压波形同相，功率是这两者的乘积，所有有用功率都传输到负载。然而，在现实世界中，许多负载包含电感性或电容性元件，被称为“无功功率（reactive）”或“复功率（complex）”。这些复杂的负载导致电流和电压之间产品相移，从而降低负载可用的实际功率。在这种情况下，因为能量成本基于视在功率，高于所使用的功率。负载的无功功率越大，表明电流和电压之间相移越大，实际功率越低。

　　为了计算实际功率，视在功率必须乘以电压和电流之间相位角之差的余弦，这被称为“位移因子”。当器件的输入级包含以非连续方式工作的元件时，例如为绝大多数现代电子设备供电的开关模式电源（SMPS）中的二极管桥，则情况再次发生变化。

　　当电流波形从正弦波变为一系列尖峰时，则存在谐波电流。这些电流在负载中循环但不会影响可用功率，因此会降低效率。为了在功率计算中表示这一点，使用一个基于总谐波失真（THD）的 “失真因子”。波形失真越多，该因素就会对实际功率产生越不利的影响。

　　从数学方面，任何系统的功率因数（PF）都是位移因子和失真因子的乘积。这意味着如果电流波形是正弦波并且与电压同相，则不会影响效率。然而，相位差和/或波形失真越大，实际功率越低。

　　PFC背后的技术

　　管理系统功率因数的一种方法是使负载的无功功率降低，但在许多实际情况下，这并不是一个可行的解决方案。例如，电动机必须具有绕组，这些绕组本质上就是无功功率。为了解决不良功率因数的影响，设计人员通常会在SMPS的前端包含一个有源PFC级。考虑到广泛的各种应用和多种功率水平，现在已经开发出了许多种PFC控制方案。LED技术在许多应用中已经取代了传统灯泡，因此我们的照明更多是通过SMPS供电，而不是直接来自电源电压。在这种情况下，一种称为临界导通模式（CrM）的拓扑架构很受业界喜爱，这种可变频率方法仅在电流波形为零交叉（zero-crossing）时开关，从而消除了反电动势，并不再需要快速恢复二极管。

　　另一种广泛采用的技术是连续导通模式（CCM），主要针对功率水平高于300W的更高功率系统。它以固定频率工作，并且当电流流动时进行开关，需要快速恢复二极管。

　　这些技术已经用于众多半导体供应商的PFC控制器，使设计人员能够非常迅速地实施PFC解决方案。某些供应商甚至提供更复杂的方法，其中一些能够根据负载条件而改变传导模式，从而确保最高水平的效率。

　　现代PFC解决方案

　　Diodes公司的AL1771/AL1772专门针对照明应用而设计，是一款整合有离线高PFC控制器和单/双通道LED驱动器的高集成度器件。这些器件采用紧凑型TSSOP-16封装，可针对各种连接照明设计实施优化的两级拓扑架构，尤其是单通道可调光和双通道可调白光LED设计。这些设计基于初级侧调节（PSR）技术，无需次级反馈即可运行，因此它们不需要光耦合器，从而节省空间和物料清单成本。这些器件在准谐振（QR）模式下工作，MOSFET在漏极电压的谷底处导通，能够最大限度地降低开关损耗，从而提高了效率。

　　Power Integrations的 HiperPFS-4系列PFC控制器则定位于较高功率应用，这些IC均在单一封装中集成了CCM升压PFC控制器、栅极驱动器和600V功率MOSFET，可以进行垂直或水平安装。HiperPFS-4器件采用创新的控制技术，可在输出负载、输入线电压和输入线路周期内调节开关频率，无需外部电流检测电阻即可实现高效率，并消除了相关的功率损耗。

　　这种控制技术不仅可以在整个负载范围内最大限度地提高效率，而且由于它具有高带宽扩频效应，还可以最大限度地降低EMI滤波要求。虽然HiperPFS-4器件的主要核心仍然是模拟技术，但线路监控、前馈缩放（feed-forward scaling）和功率因数增强等关键功能都采用数字技术，大大降低了空载功耗。这些IC在整个负载范围内具有平坦的效率，可以轻松满足EN61000-3-2 Class C/D等现代效率标准。这些器件还可在低负载（20％）下实现高功率因数（>0.95），使其适用于LCD TV、笔记本电脑、电机、风扇和LED照明等应用。

　　图1：Power Integrations的HiperPFS-4。

　　图2：德州仪器（TI）的UCC28064A PFC控制器IC。

　　安森美半导体的NCP1622是一款增强型PFC控制器，专门针对驱动PFC升压级而设计。它基于创新的谷值同步频率折返（VSFF）技术，当用户可编程控制电压超过阈值时，器件通常以CrM模式工作。在此值以下，跳过功能可降低频率直到控制电压达到阈值。VSFF能够确保在轻载和额定载荷下具有最高效率水平，特别是能够减少待机损耗。即使在较低的工作频率下，NCP1622也可以实现接近统一的功率因数。NCP1622包含热关断，过压保护，过流限制和欠压检测等许多安全功能，该器件还能够检测并响应故障，例如断开的反馈引脚，开路接地引脚或短路旁路二极管等等。NCP1622适用于所有需要PFC的离线应用以及PC电源和照明镇流器（LED和荧光灯）等应用。

　　德州仪器（TI）的UCC28064A交错式（interleaved）PFC控制器能够提供更高的额定功率。该器件采用TI专有的自然交错（Natural Interleaving）技术，两个通道均能够以相同频率作为主设备运行， 可为每个交错式通道提供更快的响应时间，更好的相间导通时间匹配（phase-to-phase on-time matching）和转换模式运行。UCC28064A具有可调节阈值的内置突发模式功能，可在轻负载时实现高效率，从而能够确保符合EUP Lot6 Tier II、CoC Tier II和DOE Level VI等具有挑战性的待机功率标准。UCC28064A适用于所有类型的电视、一体式电脑、家庭音响系统和电源适配器等应用。德州仪器（TI）通过WEBENCH电源设计软件提供各种支持。

　　总结

　　对于需要确定、购买或运营电力系统的任何人来说，他们总是希望在能源价格上涨的背景下更有效地管理运营成本，因而效率永远是一个至关重要的话题。随着能源标准的不断演进，他们正在更加关注待机功率和轻载效率，以往这两种情况下通常意味着性能显著降低。考虑到这一实际情况以及满足近乎统一的PFC需求，并确保功率不会浪费，所有这些为电源设计人员提出了一系列复杂的挑战。然而，就高集成度和先进的PFC控制IC而言，设计人员可以有多种选择方案，这些方案集成了许多创新的技术和特性，能够满足最新能效标准的严格要求。