配合新應用需求的先進PFC技術及方案
根據輸入電流控制原理的不同，PFC可以分為不同的類型，如臨界導電模式(CrM)、不連續導電模式(DCM)、連續導電模式(CCM)和頻率鉗位元臨界導電模式(FCCrM)等。CrM的的主要特徵是電流有效值(RMS)大，開關頻率不固定，常用於需要簡單控制方案的照明和交流適配器等低功率應用，典型解決方案如安森美半導體NCP1606；DCM的主要特徵是電流有效值最高，線圈電感較低及穩定性最佳，常見於中低功率應用；CCM的主要特徵是總是開關，電感值最大，電流有效值最小，在較高功率(>300 W)應用中特別受到青睞，典型解決方案如安森美半導體NCP1654；FCCrM的主要特徵是電流有效值大，頻率被限制，線圈電感較小，在中等功率條件下具有極高效能，典型解決方案如安森美半導體NCP1605。
值得一提的是，FCCrM可以視作帶有頻率鉗位元功能(由振盪器設定)的臨界導電模式，綜合了CrM和DCM的優點：DCM限制最大開關頻率，而CrM降低最大電流應力。總體而言，FCCrM解決方案似乎擁有最高的效能。
新的應用需求對PFC有更高的要求
一些新的應用需求促使業界開發新的PFC技術。這其中頗為受人矚目的就是新興的效能標準要求電腦ATX電源具有越來越高的效能。例如，80 PLUS銀級標準(等同於ENERGY STAR® 5.0版電腦電源標準及CSCI標準第三階段目標)要求，到2010年6月，多路輸出ATX電源在20%、50%和100%負載條件的效能分別達到85%、88%和85%。
要提高ATX電源效能，以滿足最新效能標準的更高要求，重要的是以系統性的途徑來分析
功率損耗來源，並針對性地降低功率損耗。我們可以將ATX電源分為PFC段、主開關電源段和次轉換器段。以常見的75%效能ATX電源為例，據測算，PFC段的損耗要佔總損耗的40%。因此，將PFC段的效能提至最高，有利於實現更高的系統總效能。這就需要最佳化PFC控制器及其工作模式與其他元件的選擇。
此外，液晶電視市場近年來高速發展，而纖薄型設計則為液晶電視提供特別的賣點，受到消費者的青睞。最新的液晶電視設計更是趨向於將厚度降至10 mm以下，這就使元件高度受到嚴格限制，設計人員必須盡可能採用更小型的元件，並降低安裝高度。PFC段同樣受到這方面的制約，值得一提的是，縮小PFC段元件能夠幫助系統降低高度。
在這些背景下，一些新的PFC拓撲結構已經開始湧現和應用。其中尤以交錯式（PFC和無橋PFC為典型。我們將探討這兩種新PFC拓撲結構的特徵、方案及性能測試結果。
交錯式PFC的優勢及方案
交錯式PFC的主要想法是在原本放置單個較大功率PFC的地方並行放置兩個功率為一半的較小功率的PFC，見圖1採用兩顆NCP1601 PFC控制器實現的交錯式PFC架構的功能方塊圖。這兩個較小功率PFC以180°的相移交替工作，它們在輸入端或輸出端累加時，每相電流紋波的主要部分將抵消。雖然交錯式PFC使用較多的元件，但其好處也很明顯，如150 W的PFC就比300 W的PFC更易於設計，便於採用模組化的方案，且兩個DCM PFC就像一個CCM PFC轉換器，這就簡化電磁干擾(EMI)濾波，並減小輸入電流有效值。特別是採用兩個較小PFC的設計能夠支持厚度低至10 mm的超薄型液晶電視設計，且效能極高。
圖一
交錯式PFC有兩種具體實現方案：一為主/從(Master/Slave)方案，一為獨立相位(Independent Phases)方案。主/從方案指主分支自由工作，而從分支相對於主分支180°相移工作。主/從方案的主要挑戰在於保持在CrM工作模式(沒有CCM模式，沒有死區)。
獨立相位方案指每個相位都恰當地工作在CrM或FCCrM模式，而兩個分支相互配合以設定180°相移。獨立相位方案的主要挑戰是保持準確的相移。安森美半導體的雙NCP1601交錯式PFC方案是一種獨特的FCCrM方案，適合輸入電壓範圍較寬的應用。在這種方案中，2顆NCP1601驅動2個獨立的PFC分支，這2個分支具有相同的導通時間因而具有相同的開關週期，它們同步但彼此獨立工作，進而保證DCM工作模式(零電流檢測)，沒有CCM工作風險，且在滿載時兩個分支都進入CrM工作模式。
圖2：安森美半導體雙NCP1601交錯式PFC方案在不同負載下的效能。
對基於安森美半導體NCP1601交錯式PFC方案的寬輸入範圍、300 W PFC預轉換器進行的測試顯示(見圖2)，這方案在很寬的負載範圍內(從20%到100%)、90 Vrms電壓下達到95%的效能。
圖二
無橋PFC的優勢及方案
傳統有源PFC中，交流輸入經過EMI濾波後會經過二極體橋整流器，但在整流過程中存在功率耗散，其中既包括前端整流橋中兩個二極體導通壓降帶來的損耗，也包括升壓轉換器中功率開關管或續流二極體的導通損耗。據測算，在低壓市電應用(@90 Vrms)中，二極體橋會浪費大約2%的效能。有鑒於此，近年來業界提出了無橋PFC拓撲結構。如果去掉二極體整流橋，由此帶來的效能提升效果很明顯。這種PFC電路採用1顆電感、兩顆功率MOSFET和兩顆快恢復二極體組成。
對於工頻交流輸入的正負半週期而言，這種無橋升壓電路可以等效為兩個電源電壓相反的升壓電路的組合。其中左邊的藍色方框是PH1為高電平、MOSFET開關管M2關閉時的開關單元，右邊的橙色方框是PH2為高電平、MOSFET開關管M1關閉時的開關單元。當PH1為高電平、PH2為低電平時，電路工作在正半週期，這時M2相當於體二極體(body diode)，PH2通過M2接地；而當PH1為低電平、PH2為高電平時，電路工作在負半週期， M1相當於體二極體，PH1通過M1接地。
圖3：傳統的無橋PFC結構示意圖。
與傳統PFC段相比，這種無橋PFC節省了由二極體整流橋導致的損耗，但不工作MOSFET的體二極體傳遞線圈電流。最終，這種結構消除了線路電流通道中一個二極體的壓降，提升了效能。但實際上，這種架構也存在幾處不便，因為交流線路電壓不像傳統PFC那樣對地參考，而是相對於PFC段接地而浮動，這就需要特定的PFC控制器來感測交流輸入電壓，而這種結構中的簡單電路並不能完成這項任務。這種架構也不能方便地監測線圈電流。 此外，EMI濾波也是個主要問題。
圖4是Ivo Barbi無橋升壓PFC架構的新穎解決方案，這種方案中沒有全橋，相反，PFC電路的地通過二極體D1和D2連接至交流線路，且每個端子用於1個PFC段。故這種解決方案可視作2相PFC，其中2個分支並聯工作。這種架構也省下了電流通道中的一個二極體，並因此提升了效能。這種2相式架構並不需要特定的PFC控制器，具有增強的熱性能，且負相總是接地，解決了EMI問題。
圖4：改進的Ivo Barbi無橋升壓PFC架構
安森美半導體基於這種架構開發了800 W PFC段的原型。這原型採用NCP1653 PFC控制器及MC33152 MOSFET驅動器。經測試，這原型在90 Vrms、滿載、無風扇(機箱打開，室溫)條件下的效能達94%，而在100 Vrms時達95%。在20%負載時效能更接近或超過96%。這種無橋PFC架構將是適合大功率應用的一種高效能方案。
總結：
交錯式PFC和無橋PFC等新穎拓撲結構的先進PFC技術配合功率大於75 W電源的新趨勢，有利於設計厚度低至10 mm以下的超薄型液晶電視，及符合80 PLUS等效能標準越來越高的要求。安森美半導體身為全球領先的高性能、高效能矽解決方案供應商，提供基於NCP1601的交錯式PFC和基於NCP1653的無橋PFC等創新解決方案，具有小外形因數，適用於緊湊型設計，並減少PFC段的功率損耗，提供極高的效能，符合嚴苛的效能標準要求，幫助客戶在市場競爭中佔據先機。
供稿：安森美半導體