專為電源無橋接 PFC 設計選用數字控制器

由于效率要求的不斷增長，許多電源制造廠商開始將注意力轉向無橋功率因數校正 (PFC) 拓撲結構。一般而言，無橋接 PFC可以通過減少線路電流通路中的半導體組件數目來降低傳導損耗。盡管無橋接 PFC 的概念已經提出了許多年，但因其實施的難度和控制的復雜程度，阻礙了其成為一種主流。

一些專為電源而設計的低成本、高性能數字控制器上市以后，越來越多的電源公司開始為 PFC 設計選擇使用這些新型數字控制器。相比傳統的模擬控制器，數字控制器擁有許多優勢，例如：可編程配置、非線性控制、低組件數目，以及最為重要的復雜功能實施能力（模擬方法通常較難實現）。

大多數現今的數字電源控制器，例如：TI 的融合數字電源 (Fusion Digital PowerTM) 控制器 UCD30xx 等都有許多集成電源控制外設和一個電源管理內核，例如：數字環路補償器、快速模數轉換器 (ADC)、內置停滯時間的高分辨率數字脈寬調制器 (DPWM)、低功耗微控制器等。它們是如無橋接 PFC 等復雜高性能電源設計的較好選擇。

在其他一些無橋接 PFC 拓撲結構中[1] [2]，圖 1?是一個已經為業界所廣泛采用的無橋接 PFC 實例。它具有兩個 DC/DC 升壓電路[3] [4]，一個由 L1、D1 和S1 組成，而另一個則由 L2、D2 和 S2 組成。D3 和 D4 為慢速恢復二極管。通過參考內部電源接地單獨檢測線壓和中性點電壓，測量得到輸入 AC 電壓。通過對比檢測線壓信號和中性點信號，固件便知道其為一個正半周期，還是一個負半周期。在一個正半周期期間，第一個 DC/DC 升壓電路即 L1-S1-D1 有效，同時升壓電流回到二極管 D4 的 AC 中性點。在一個負半周期期間，第二個 DC/DC 升壓電路即 L2-S2-D2 有效，同時升壓電流回到二極管 D3 的 AC 線。像 UCD3020 這樣的數字控制器用于控制這種無橋接 PFC。

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圖 1 數字控制無橋接 PFC

無橋接 PFC 基本都由兩個相升壓電路組成，但在任何時候都只有一個相有效。對比使用相同功率器件的傳統單相 PFC，無橋接 PFC 和單相 PFC 的開關損耗應該是一樣的。但是，無橋接 PFC 電流在任何時候都只通過一個慢速二極管（正半周期為 D4，負半周期為 D3），而非兩個。因此，效率提高的多少取決于一個二極管和兩個二極管之間的傳導損耗差異。另外，通過完全開啟關閉的開關可以進一步提高無橋接 PFC 效率。例如，在一個正周期期間，S1 通過 PWM 信號控制，而 S2 則可以完全開啟。當流動的電流低于某個值時，MOSFET S2 的壓降可能會低于二極管 D4，因此返回電流部分或者全部流經 L1-D1-RL-S2-L2，然后返回 AC 源。傳導損耗可以降低，電路效率也可以得到提高，特別是在輕負載的情況下。同樣，在一個負周期期間，S2 開關時，S1 被完全開啟。圖 2?顯示了 S1 和 S2 的控制波形。

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圖 2 無橋接 PFC 的 PWM 波形

傳統上，效率指的是滿負載狀態下高線壓和低線壓的效率?，F在，如計算服務器和遠距離通信電源等大多數應用，除滿負載狀態效率以外，還要求 10%-50% 負載范圍狀態的效率也必須滿足標準規范。大多數 AC/DC 應用中，系統有 PFC 和下游DC/DC 級，因此我們根據整個系統來測量效率。若想提高輕負載狀態下的總系統效率，一種方法是降低 PFC 輸出電壓和開關頻率。這要求了解負載信息，而這項工作通常是通過使用一些額外電路測量輸出電流來實現的。但是，利用數字控制器，便不再需要這些額外電路。輸入 AC 電壓和 DC 輸出電壓相同時，輸出電流與電壓環路輸出成正比。因此，如果我們知道電壓環路的輸出，我們便可以相應地調節頻率和輸出電壓。使用數字控制器以后，電壓環路通過固件來實現，其輸出已知，所以實現這種特性便十分容易，并且成本比使用模擬方法要低得多。

無橋接 PFC 的難題之一是如何檢測整流后的 AC 電流。如前所述，AC 返回電流（部分或者全部）可能會流經處于非活動狀態的開關，而非慢速二極管 D3/D4。因此，在接地通路中使用一個分路器來檢測電流（通常在傳統 PFC 中使用），已不再適用。取而代之的是，使用一個變流器 (CT)，每相一個（圖 1）。這兩個變流器的輸出被整流，然后組合在一起，產生電流反饋信號。由于在任何時候都只有一個變流器整流輸出信號，即使在其組合時也是如此，因此任何時候都只有一個反饋電流信號。

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圖 3 連續導通模式的檢測電流波形

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圖 4 非連續導通模式的檢測電流波形