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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 高功率因數(shù) (PF) 和高效率是服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、5G電信、工業(yè)系統(tǒng)、電動(dòng)汽車和其他一系列應(yīng)用中所用 AC-DC 電源的關(guān)鍵要求。然而，電源設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)是如何同時(shí)滿足 IEC 61000-3-2 等標(biāo)準(zhǔn)的 PF 和電磁兼容性 (EMC) 要求，以及能源之星最新的 80 PLUS Titanium 效率標(biāo)準(zhǔn)。后者要求在 10% 的負(fù)載下至少達(dá)到 90% 的效率，以及在滿載時(shí)達(dá)到 94% 的效率。傳統(tǒng)的升壓 PF 校正 (PFC) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以提供高 PF 和良好的 EMC，但包括了一個(gè)相對(duì)低效的二極管橋，因此使之難以達(dá)到預(yù)期的能效標(biāo)準(zhǔn)。 用無橋圖騰柱 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取代二極管橋，可實(shí)現(xiàn)高 PF 和高效率。然而，這會(huì)帶來更大的復(fù)雜性，因?yàn)橥負(fù)浣Y(jié)構(gòu)包括兩個(gè)控制回路：一個(gè)在線路頻率下運(yùn)行的慢速回路，用于整流；另一個(gè)是用于升壓部分的高頻回路。從頭開始設(shè)計(jì)兩個(gè)控制環(huán)路是一個(gè)耗時(shí)的過程，可能會(huì)延誤產(chǎn)品上市，并導(dǎo)致解決方案的成本和規(guī)模超出必要。 為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)者可以轉(zhuǎn)而采用 PFC 控制器 IC，這些 IC 針對(duì)無橋圖騰柱 PFC 設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。這些控制器采用內(nèi)部補(bǔ)償型數(shù)字回路，可以實(shí)現(xiàn)逐周期電流限制，而不需要霍爾效應(yīng)傳感器，并且可以與硅 MOSFET 或?qū)拵?(WBG) 開關(guān)器件，如碳化硅 (SiC) 或氮化鎵 (GaN)，一起使用。由此產(chǎn)生的 PFC 可以在 90 至 265 伏交流電輸入下運(yùn)行，效率高達(dá) 99%。 本文簡(jiǎn)要回顧了 AC-DC 電源需要滿足的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，比較了各種 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能，并確定了無橋圖騰柱 PFC 何時(shí)才是最佳選擇。然后介紹了 Onsemi 針對(duì)在無橋圖騰柱 PFC 中使用而優(yōu)化的控制器 IC，以及支持組件、評(píng)估板和加速開發(fā)過程的設(shè)計(jì)建議。 效率可能很復(fù)雜 電源效率比最初看起來要復(fù)雜，因?yàn)樗ń涣骱椭绷鲀蓚�(gè)成份。簡(jiǎn)單來說，效率是指輸入功率與輸出功率之比。然而，典型的 AC-DC 電源的輸入功率不是純正弦波，會(huì)導(dǎo)致從交流電網(wǎng)獲取的電力存在同相和非同相差異。這種差異我們用 PF（功率因數(shù)）來表示。為了完整描述 AC-DC 電源的效率，需要同時(shí)包括 DC 效率和 PF。更具挑戰(zhàn)性的是，效率曲線不是平坦的：效率和 PF 會(huì)隨著輸入電壓和輸出負(fù)載等參數(shù)而變化。 為了考慮這些變化，像能源之星這樣的效率標(biāo)準(zhǔn)定義了不同負(fù)載水平和不同輸入電壓下的效率，以及對(duì) PF 的要求（表 1）。最高級(jí)別稱為“80 PLUS Titanium”，規(guī)定 115 伏交流輸入在 10% 和 100% 額定負(fù)載下的最低效率為 90%，在 50% 額定負(fù)載下的效率為 94%，另外在 20% 額定負(fù)載下的 PF 值 ≥95%。對(duì)于 230 伏的交流輸入，需要更高的效率。此外，電源應(yīng)符合 IEC 61000-3-2 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電源線的諧波進(jìn)行了限制。 
表 1：像能源之星這樣的性能標(biāo)準(zhǔn)包括了對(duì) PF 以及效率的要求。（表格來源：Onsemi） 有兩種常見的 PFC 方法：一種是基于二極管整流的升壓轉(zhuǎn)換器；另一種是更復(fù)雜、更高效的基于主動(dòng)整流方式的圖騰柱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖 1）。升壓轉(zhuǎn)換器 PFC 可以滿足基本的 PF 和效率要求，但不足以滿足 80 PLUS Titanium 等嚴(yán)格的要求。例如，在升壓 PFC 中，在 DC-DC 階段可能有 2% 的損失，在線路整流和 PFC 階段有 1% 的損失（在線路低壓工作時(shí)可能上升到近 2%）。由于在低壓線路上有近 4% 的損耗，因此在 230 伏交流電和 50% 負(fù)載條件下，要達(dá)到 80 PLUS Titanium 要求的 96% 的效率是很有挑戰(zhàn)性的。在要求最高效率水平的應(yīng)用中，可以通過用同步整流取代二極管整流器來減少 PFC 階段的損失。
圖 1：兩種常見的 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括一個(gè)基本的升壓轉(zhuǎn)換器（左）和一個(gè)圖騰柱（右）。（圖片來源：Onsemi） 在上面的圖騰柱 PFC 中，Q3 和 Q4 是慢腿，在線路頻率上實(shí)現(xiàn)同步整流，而 Q1 和 Q2 構(gòu)成快腿，將整流后的電壓提升到更高的水平，如 380 伏直流。雖然有可能對(duì) Q1 和 Q2 使用低導(dǎo)通電阻 (RON) MOSFET 實(shí)現(xiàn)圖騰柱，但由于 MOSFET 的反向恢復(fù)導(dǎo)致的高頻開關(guān)損耗會(huì)降低效率。因此，在許多圖騰柱 PFC 設(shè)計(jì)中，Q1 和 Q2 硅 MOSFET 被替換為 SiC 或 GaN 功率開關(guān)，其反向恢復(fù)損耗很小或沒有。 優(yōu)化的控制 設(shè)計(jì) PFC 時(shí)的另一個(gè)決定是控制技術(shù)的選擇。PFC 可以在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM)、不連續(xù)模式 (DCM) 或臨界導(dǎo)通模式 (CrM) 下運(yùn)行。這些模式因升壓電感器（圖 1 中的 L1）的工作特性而不同。CCM 能最好地利用電感器，并保持較低的導(dǎo)通和磁芯損耗，但 CCM 是硬開關(guān)，動(dòng)態(tài)損耗較高。DCM 可以有效地實(shí)現(xiàn)低功耗操作，但卻存在著相對(duì)較高的峰值和均方根電流，導(dǎo)致電感中的傳導(dǎo)和鐵心損耗較高。 CrM 可以在高達(dá)幾百瓦的設(shè)計(jì)中提供更高的效率。通過 CrM，可以監(jiān)測(cè)線路電壓和負(fù)載電流的變化，且開關(guān)頻率可調(diào)整為在 CCM 和 DCM 之間運(yùn)行。CrM 具有較低的導(dǎo)通損耗，它將峰值電流限制在平均電流的兩倍，將傳導(dǎo)和鐵心損耗保持在合理的水平（圖 2）。
圖 2：CrM PFC 升壓電感器峰值電流 (Ipk) 被限制在輸入線路電流的兩倍。（圖片來源：Onsemi） 然而，在使用 CrM 時(shí)也有一些挑戰(zhàn)： · 這是一個(gè)硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，升壓裝置的正向恢復(fù)增加了一些損失，并可能導(dǎo)致輸出電壓過沖。 · 在輕載時(shí)，它在非常高的頻率下運(yùn)行，增加了開關(guān)損耗并降低了效率。 · 有四個(gè)有源器件需要控制，另外還需要檢測(cè) PFC 電感器中的零電流以有調(diào)節(jié)輸出電壓。 CrM 可以使用在線傳感器和一個(gè)微控制器 (MCU) 來執(zhí)行復(fù)雜的控制算法。對(duì)算法進(jìn)行編碼以考慮上述性能挑戰(zhàn)是有風(fēng)險(xiǎn)的，而且很耗時(shí)間，可能會(huì)推遲上市時(shí)間。 無碼圖騰柱 為了解決這些問題，設(shè)計(jì)人員可以求助于 onsemi 的 NCP1680ABD1R2G 混合信號(hào)控制器，該控制器提供了一個(gè)集成的、無需代碼的 CrM 圖騰柱 PFC 解決方案。這款采用 SOIC-16 封裝的控制器符合 AEC-Q100 汽車級(jí)應(yīng)用要求，具有低損耗、低成本、電阻式電流檢測(cè)特性，并實(shí)現(xiàn)了逐周期電流限制保護(hù)，無需霍爾效應(yīng)傳感器（圖 3）。這個(gè)內(nèi)部補(bǔ)償型數(shù)字電壓控制回路在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)優(yōu)化了性能，簡(jiǎn)化了 PFC 設(shè)計(jì)。
圖 3：NCP1680 CrM 控制器使用低成本、高效率的電阻式電流感應(yīng)方式（示意圖右下角 ZCD）。（圖片來源：Onsemi） 高速柵極驅(qū)動(dòng)器 NCP1680 控制器可與 Onsemi 的 4 x 4 毫米 (mm) 15 引腳 QFN 封裝的 NCP51820 高速柵極驅(qū)動(dòng)器搭配，旨在用于半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的柵極注入晶體管 (GIT)、GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 和增強(qiáng)模式 (e-mode) GaN 功率開關(guān)（圖 4）。
圖 4：NCP1680 控制器（左）可與 NCP51820 高速柵極驅(qū)動(dòng)器（右）搭配，來驅(qū)動(dòng)圖騰柱 PFC 中的 GaN 功率器件。（圖片來源：Onsemi） 例如，NCP51820AMNTWG 具有匹配的短傳播延遲和共模電壓范圍，適合 -3.5 伏至 +650 伏（典型值）的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)。該激勵(lì)級(jí)有專用的穩(wěn)壓器，以保護(hù) GaN 器件的柵極免受電壓應(yīng)力的影響。NCP51820 柵極驅(qū)動(dòng)器包括獨(dú)立的欠壓鎖定 (UVLO) 和熱關(guān)斷保護(hù)功能。 為了加快上市速度，設(shè)計(jì)人員可以使用 NCP51820GAN1GEVB 評(píng)估板 (EVB)。該 EVB 有助于設(shè)計(jì)人員了解 NCP51820 驅(qū)動(dòng)器的性能，以有效驅(qū)動(dòng)圖騰柱配置中的兩個(gè) GaN 電源開關(guān)。NCP51820GAN1GEVB 采用四層 1310 千分之一英寸 (mil) × 1180 mil 印刷電路板設(shè)計(jì)。它包括 NCP51820 GaN 驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)采用半橋配置的 e-mode GaN 功率開關(guān)（圖 5）。
圖 5：NCP51820GAN1GEVB EVB 包括一個(gè) NCP51820 驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)采用半橋配置的 E-mode GaN 開關(guān)。（圖片來源：Onsemi） 設(shè)計(jì)建議 在使用這些 IC 時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以遵循一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)建議來實(shí)現(xiàn)最佳性能。例如，為了防止噪聲耦合到信號(hào)路徑中并意外觸發(fā) NCP51820 柵極驅(qū)動(dòng)器，onsemi 建議在柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的輸入端直接濾除來自 NCP1680 的控制信號(hào)（PWMH 和 PWML）。方法是直接在該驅(qū)動(dòng)器的引腳上放置一個(gè) 1 千歐姆 (kΩ) 的電阻和一個(gè) 47 或 100 皮法 (pF) 的電容，就足以濾除（圖 6）。
圖 6：在 NCP51820 柵極驅(qū)動(dòng) IC 的輸入端對(duì)來自 NCP1680 的 PWMH 和 PWML 控制信號(hào)進(jìn)行過濾，可以防止噪聲影響，如 NCP51820 的意外觸發(fā)。這里使用了 1 kΩ 電阻（左中）和 47 pF 的電容（右中）進(jìn)行濾波。（圖片來源：Onsemi） NCP1680 的跳過/待機(jī)模式能夠?qū)崿F(xiàn)非常好的空載和輕載性能，但它必須通過給 PFCOK 引腳提供脈沖或給 SKIP 引腳接地來從外部觸發(fā)，并與 NCP13992 諧振模式控制器連接（圖 7）。接口電路的元器件規(guī)格應(yīng)與 NCP1680 EVB 上的元件規(guī)格相似。在正常操作下，NCP13992 諧振模式控制器的 PFCMODE 引腳與控制器的 VCC 偏置電壓相同。當(dāng)轉(zhuǎn)換器進(jìn)入跳過模式時(shí)，就會(huì)將脈沖接地。要進(jìn)入跳過模式，PFCOK 引腳必須低于 400 毫伏 (mV) 超過 50 微秒 (μs)。
圖 7：在 NCP1680 中激活跳過/待機(jī)模式所需的外部觸發(fā)電路實(shí)例。（圖片來源：Onsemi） 結(jié)語 使用典型的升壓轉(zhuǎn)換器 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，如需同時(shí)滿足最新能源之星標(biāo)準(zhǔn)（如 80 PLUS Titanium）的效率、EMC 和 PF 要求，可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)而采用圖騰柱式 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。綜上所述，使用 NCP1680 混合信號(hào)控制器以及來自 onsemi 的支持性元件（如 NCP51820 柵極驅(qū)動(dòng)器、評(píng)估板以及一些設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐），可以讓設(shè)計(jì)人員快速實(shí)現(xiàn) CrM 圖騰柱 PFC 解決方案，同時(shí)滿足所需的標(biāo)準(zhǔn)。 |
