摘要：  全面考虑PFC级的设计，有助于在PC、服务器、工业电源和消费电子产品(如显示器电源)等流行应用产品中实现总体电源效率的最大化。通过一种简单PFC输出电压调节设计方案可提高效率。使用高度集成的PFC控制器，可以实现节能，并以尽可能少的外部元件数目来提供电路保护和软启动等功能。

关键字：  PFC，  电源，  转换器，  

为了满足功耗最小化的要求，设计人员利用可变PFC输出电压技术逐渐提高多级电源的效率

为了满足能源之星(ENERGY STAR)等规范的要求以及消费者降低碳排放的愿望，功率电子产品设计团队正在不断努力提高系统效率，以求尽量接近额定100%效率的终极目标。此外，目前调节器实际上需要在电源第一级采用功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)，以尽量提高功率因数(PF)，减少电力线的损耗。同时，设计团队更喜欢采用通用输入电源，比如主要用于北美、日本和台湾的100-120V 电力线电源，以及用于欧洲和其余地区的220-230V 交流电源。在使用流行的升压拓扑时，全球性规范要求致使PFC级的中间电压相当高。不过，在降低PFC输出电压条件下，设计师可以获得较好的交流-直流转换器轻载效率。为了提高效率，设计团队必须在中间电压和设计复杂性之间进行谨慎的折衷权衡

离线或交流-直流电源一般是多级电源。通常，二极管整流桥将交流输入电压转换为未调节的直流电压。最后，由下一级的直流-直流转换器提供应用所需的经调节的稳定直流输出电压。PFC级位于整流器和直流-直流转换器级之间(图1所示即为一个典型的整流器及PFC级)。PFC级采用开关模式技术，故PFC转换器接收的是与线路电压同相的正弦交流电流，因此可获得接近理想值1的PF值(实际功率与视在功率的比值)。

　　图1 典型PFC电源级

理论上，大多数开关转换器拓扑都可用于PFC级。其中升压拓扑是常见选择，原因有几个。比如，在考虑到线路滤波器要求时，升压转换器的材料清单(BOM)相对较少。另外，升压转换器的EMI噪声极低。

以典型的通用PFC升压转换器为例。当输入电压为220V时，全桥整流器的输出电压范围在350V 到 360V间。升压转换器设计的输出电压必须大于输入电压，才能确保正确的升压工作并形成输入电流波形。PFC升压转换器的输出电压一般在400V范围。

为什么PFC输出电压至关重要

PFC升压转换器经设计，可以提供任意高于输入电压的输出电压。因此，我们应该讨论一下为什么输出电压如此重要。不幸的是，选择较高或较低电压的理由互相冲突。

一般而言，在PFC级能量存储方面，输出电压越高，效率越高。但反之，输出电压越高，意味着PFC级的开关损耗也越大，尤其是在轻载条件下。也就是说，降低PFC级的输出电压可以提高总体系统效率。通过减小容性开关损耗，可以提高轻载条件下的PFC级效率。降低电压转换比也可以提高低线路电压条件下的PFC级效率，因为电压转换比(Vo/Vin)较大时，升压开关的传导损耗也会增大。另一方面，下一级直流-直流转换器又是针对宽输入电压范围而设计的，而这却不利于效率的提高。

直流-直流转换器衍生物

在这一点上，我们承认调节PFC输出电压的能力可能对效率最大化十分有用。但我们也必需考虑到可变PFC输出电压可能会对直流-直流级产生的影响。因此，我们需要探讨一些有关调节的实用方法，并需要明白调节方案和直流-直流级设计都是非常复杂棘手的。

保持时间(Hold-up time)是一个很重要的电源规格参数，它规定了在交流输入电压中断之后多长时间内电源仍会保持输出电压大于规定的最小值。直流-直流转换器的输入电压范围对保持时间的影响相当于PFC级输出端存储能量的输出电容，电源设计人员必须确保更低的PFC输出电压不会致使直流-直流级无法满足保持时间的要求。同时，直流-直流级也必须根据可变PFC输出电压的范围来进行设计。

在设计可调节PFC输出电压时，设计人员必须考虑到两个因变量。在输入电压相关型设计中(有时被称为升压跟随器技术)，PFC输出电压被设置为与交流输入电压的rms值成比例。一般而言，PFC输出电压由一个增加到交流输入电压上的预先确定的恒定偏移值来决定。

另外，PFC级的输出功率可以作为PFC电压调节的参考基准。虽然这种算法比线性函数稍微复杂一些，但本质上PFC输出电压还是可以作为输出功率的一个线性函数来控制。在这种方案中，必需确保PFC输出电压决不低于输入电压。在高线路电压、轻负载条件下，线性控制可能导致不良情况发生。因此，典型的实现方案还必须监控输入电压，并利用该信息来控制PFC输出级的底限。

此外，轻载条件下输出电压较低的PFC级不能象直流-直流级那样迅速响应负载的快速增大。故设计人员必须根据直流-直流级的最小输入电压，仔细选择PFC输出电压的底限。

输入电压相关型设计的衍生物之一是更宽PFC输出电压范围。因此，设计人员必须开发一个能够处理这种输入范围的直流-直流级，宽的输出电压范围也不利于满足保持时间规格，而且一般需要很大的输出电容值。

采用输出功率为参考基准的PFC转换器被称为负载相关型设计。此时PFC输出电压范围比较窄，因此直流-直流转换器设计更加简单，输出电容也比较小。

一种简单的负载相关型实现方案

其实，负载相关型方案也很容易实现。代替连续可变PFC输出功能，设计人员可以转而采用一种PFC输出电压在固定值之间可调的实现方案。例如，满载和满线路功率条件下，PFC额定值为380V。在某些负载较轻和/或输入电压较低的触发点，输出电压可能降至350V。图2所示即为这样一种基于负载的工作环境。当负载降至35%左右时，PFC输出电压下降。当负载攀升到50%以上时，输出电压返回到额定电平。

　　图2 一种简单的PFC输出调节方案

现在，设计团队可以实现这种简单的、适用于大多数消费电子应用产品的输出可调PFC 转换器。例如，飞兆半导体的FAN6982 连续电流模式 (Continuous Current Mode，CCM) PFC控制器集成了一个能够调节PFC输出电压的“范围(range)”功能。只需把EN(Enable)引脚置高电平即可激活这种功能。要禁用它，可把该引脚置低到信号地线(图3)。

设计人员在较低PFC输出电压的设置方面仍拥有一些灵活性。当轻载和低线路电压条件触发了向较低PFC输出级的转换时，转换器通过激活20µA内部电流源来激励这种行为，该电流源与内部误差放大器的反相输入端相连接，而后者是电压反馈输入(FBPFC 引脚)。通过改变视在反馈分压器的分压比，误差放大器可调节并提供较低的PFC输出电压。用户可以通过调节输出电压和接地之间双电阻分压器的下部电阻(RFB2) 来设置较低的PFC输出电压(图3)。

　　图3 FAN6982上的PFC输出电压调节结构

实现更多功能和更少外部元件的其它关键因素

除了以最少外部元件(亦即最低成本)实现高轻载效率之外，我们再讨论一下在PFC实现方案中设计人员应该考虑到的一些其它功能。其中当然包括一组稳健可靠的电路保护功能，另外还需考虑采用转换器IC，以简化设计任务，满足应用要求。

现在让我们来看看保护功能部分。若PFC输出电压超过工作限值，PFC反馈电路会发生故障，这可能给电源带来灾难性的损坏。在FAN6982的例子中，有一个内部保护电路对FBPFC引脚进行监控。该电路能够检测出电压反馈路径上的开路、短路和浮置电路(floating-circuit)故障。飞兆半导体称这种功能为TriFault Detect，其无需外部元件，并符合UL 1950安全标准。

电压过低是另一个需要关注的重要问题。设计应该确保PFC级不会因输入电压暂降而进入过流状态。FAN6982可内部监控VRMS引脚，当电压降至1.05V阈值以下时，IC关断PFC级。一旦VRMS达到1.9V，升压级被激活。

目前许多应用都需要软启动功能。设计必须在启动期间限制输入电流以防止升压电感饱和，以及开关器件过流。利用软启动设计，定义各级的上电顺序，就可以避免这种饱和现象。

在一个基于PFC的实现方案中，设计人员必需在PFC级和直流-直流级处理软启动问题。FAN6982包含了一个集成式PFC软启动功能，该控制器监控PFC输出电压，并在电压降至额定值的96%以下时，对电压误差放大器的输出进行钳位。在此种模式中，误差放大器的输出(VEA) 被钳位，电流回路限制线路电流，PFC的上升时间延长，直到PFC输出电压达到阈值要求，电压误差放大器重新开始正常工作(图4)。

　　图4：PFC软启动实现方案

为了确保直流-直流级在PFC级处于软启动工作模式时不需要满功率 ，PFC级必需对直流-直流软启动顺序进行管理。以FAN6982为例，PFC控制器包含了一个Ready (RDY)引脚(或同步引脚)，它只有当PFC输出电压在额定设计电压的96%范围之内时，才对直流-直流级的软启动电容进行充电。

最后还有一个有趣的部分是输入电流整形(input current shaping)，因为该项功能对功率因数的优化居功至伟。FAN6982利用一个增益调节器集成了电流整形功能，该调节器由交流输入电流、电压误差放大器和VRMS信号驱动。输出电压可以自动调节电流控制误差放大器的参考输入电压。

总结

全面考虑PFC级的设计，有助于在PC、服务器、工业电源和消费电子产品(如显示器电源)等流行应用产品中实现总体电源效率的最大化。通过一种简单PFC输出电压调节设计方案可提高效率。使用高度集成的PFC控制器，可以实现节能，并以尽可能少的外部元件数目来提供电路保护和软启动等功能。