----使一个设计方案可用于不同功率水平的电源

THD的法律要求和PFC的设计优势

中国已实行了“中国强制认证”(CCC)制度，加上现有的欧洲标准(IEC 1000-3-2)和日本标准 (JIC C 61000-3-2)，这就意味着世界30%以上的电子市场都提出了总谐波失真(THD)的规范，功率因数校正(PFC)也成为了大多数设计工程师的必然选择，不管他们设计的对象是90W的笔记本电脑的电源适配器，还是1.5kW的空调，亦或是3kW的电信整流器。

PFC前端的采用，大大提高了从AC干线获取功率的能力，因此可以采用更低额定电压的部件，从而提高效率和节省成本。采用统一、通用输入的设计，也使得生产更容易进行，并且可以节省大量的库存。

传统PFC的折中：CCM与DCM

传统的PFC解决方案实际上是在性能(效率和功率密度)和系统成本之间进行折中的结果。高功率系统采用连续电流模式(CCM)，而低功率系统采用非连续电流模式(DCM)。高/低功率的转换点介于200～300W之间，具体水平根据实际应用而定。例如，在体积较大、空气流通好的系统中，DCM系统最高可被用到250W的功率水平。DCM的问题是，当功率升到100W以上时，峰值电流将需要很大的EMI滤波器，而这时效率就开始下降，意味着需要使用更大的FET和散热片。CCM的功率密度要高一些，但是传统的解决方案非常复杂，需要大量的元器件，成本昂贵。

使用传统乘法器控制设计1kW PFC

1kW应用属于传统的CCM应用领域，一般采用基于“乘法器”的控制系统。图1显示了一个典型的控制电路模型。

图1 基于乘法器的CCM PFC

基于乘法器的方法，是将电压误差放大器的输出信号与整流线电压输入信号相乘，所以乘法器的输出就是电流编程信号。这个信号和输入电压的波形一致，平均振幅与控制输出电压的输出电压误差放大器的输出成比例。这个电流编程信号和感应器电流成比例的电流相加，被引到电流放大器的非反向输入端。图2显示了一个乘法器CCM PFC技术的应用实例，该实例是1kW的AC/DC服务器开关电源上所使用的子卡，使用UC3854作为功率因数校正器。

图2 带基于乘法器的CCM PFC子卡

基于乘法器的系统非常复杂，需要花很长的时间进行设计。一个典型项目的设计有11个步骤，而且常常需要反复设计。

CCM PFC单周期控制技术

美国加州大学Irvine分校的K. Smedley教授开发了一种新的控制技术，被称作单周期控制技术(OCC)，不再需要以前的AC输入检测技术，使高性能的CCM PFC解决方案能够变得结构紧凑。校正电流波形(以保证高功率因数)所需要的信息全部来自DC总线电压和回路电流。信息由单周期系统来处理，用来改变PFC的占空比。图3是CCM PFC解决方案的电路结构框图。

图3 单周期控制CCM PFC电路结构框图

单周期控制技术(OCC)方案中没有模拟乘法器，没有输入电压检测，没有固定的振荡器斜坡。相反，OCC采用的是复位整合器(integrator with reset)，也就是说，误差放大器的输出在一个开关周期内被整合，产生一个可变斜坡。这个可变斜坡与误差电压进行比较、从电流感测信号中减去，生成PWM栅极驱动。这个控制方法提供了一种统一标准的控制技术，适用于不同的拓扑，不管是前缘调制(leading edge modulation)还是后缘调制(trailing edge modulation)。

对于PFC，OCC使得控制技术更加简化，性能却和传统的基于乘法器的方法同样出色。另外，OCC依赖于PFC控制方法。所有的直流传动(power-train)组件，包括扼流器、开关、二极管和相关的散热片，都保持不变，效率和原来一样。图4显示了采用OCC IR1150S的1kW等效控制卡，在IRAC1150-D2子卡上采用了IR1150S。

图4 1kW单周期控制PFC控制卡

OCC解决方案所用的电阻比传统乘法器技术少了40%，电容减少了50%，采用了体积更小的SOIC8封装，为了实现高性能，却包含了一个1.5A的大型快速栅极驱动。在这个例子中，子卡的尺寸减小了50%。OCC技术工作于峰值电流模式，所以可以去掉在传统方法里采用的两个电流检测变压器中的一个。峰值电流模式是该技术的另一个优势，简化了控制系统，减少了高功率系统中的部件数量，一般这些系统都是采用无桥升压(Bridge-Less Boost)拓扑来实现高效率。

系统简化意味着设计步骤可以减少50%，设计时间会大大缩短。OCC技术的优势包括设计简单、所需部件数量少、占用空间小，这就意味着在低功率应用中可采用高性能、高功率密度的CCM，而成本会很低。由于高峰值电流的因素，传统的DCM设计必须采用EMI滤波器，采用CCM的OCC意味着电流可以减小，也就可以采用体积更小和更便宜的EMI滤波器。在功率密度大的应用场合，如笔记本电脑的电源适配器，这点显得尤为重要。

功率因数和总谐波失真(THD)

现将功率为250W，OCC(IR1150S)和乘法器解决方案(UC3817)的功率因数做一比较。测试条件是：环境温度25℃，空气几乎不流动，固定频率为100kHz。EMI滤波器、PFC升压扼流器和二极管完全相同。图5显示了两种方案的功率因数的对比结果。

图5 乘法器和OCC方案的功率因数比较

图6显示了在250W时，总谐波失真性能和IEC 61000-3-2标准的比较。

图6 OCC和乘法器的总谐波失真性能

可满足各种功率水平

采用单周期控制技术后，就不用在性能和成本两者之间进行折中了。同一种基础OCC电路可以很有效地用在各种系统里，系统功率可从75W到4kW或者更高。OCC技术简单易用，可大大缩短设计时间，非常有助于实现高功率密度解决方案。