交流跳周模式提高了PFC轻负载效率

作者：孙博生，系统工程师

对于输入功率大于或等于75瓦的电源来说，通常需要使用功率因数校正 (PFC)。功率因数校正可强制输入电流随输入电压的变化而发生变化，这样的话，任何电气负载对于为其供电的电压源来说都表现为一个电阻。这一点对于很多服务器、电信和工业应用是必须满足的要求。在这些应用中，对于能效和电能质量的要求已经变得越来越严格。评判PFC性能的最重要标准是效率，总谐波失真 (THD)，和功率因数 (PF)。借助于全新半导体器件和控制方法，最新式的PFC电路已经在中度和重度负载情况下实现了极佳性能。然而，在轻负载条件下，效率，THD和PF性能严重降低。





图表1中显示的是一个典型PFC效率曲线。需要注意的是，轻负载时效率变得越来越低。这是因为在轻负载时，半导体元件的开关损耗、驱动损耗和反向恢复损耗成为影响效率的主要因素。同时，PFC有可能从连续传导模式 (CCM) 转换为断续传导模式 (DCM)，这一转换使得转换器动态性能突然发生变化，并且电流环带宽大大减少。减小的电流反馈信号也使得对电路的控制变得十分困难。因此，电流波形的THD增加（图表2）。本文提出一个在PFC进入轻负载条件下时增加效率并减少THD 的全新方法。在这一方法中，当负载被减少到小于预定的阀值时，PFC进入一个特殊的突发模式。在这个模式下，根据负载的大小，PFC会跳过一个或多个交流周期。换句话说，PFC会在一个或多个交流周期内关闭，而在下一个交流周期到来时重新打开。打开/关闭情况出现在交流零交叉点上，这样的话就跳过了整个交流周期。此外，由于PFC打开/关闭出现在电流为零的时候，所以产生的应力和电磁干扰 (EMI) 噪声会更小。这一点与传统脉宽调制 (PWM) 脉冲跳跃突发模式不同；在这种模式下，PWM脉冲被随机跳过。将被跳过的交流周期数量与负载成反比。如果负载持续减少到阀值以下，将会有更多的交流周期被跳过。按照负载与将被跳过的周期数量之间的关系可生成一张查询表格。这张表格将显示-将输出电压纹波保持在额定范围内时可跳过的最大交流周期数量。图表3显示了在不同负载下跳过的四个不同数量的交流周期。





一旦PFC关闭，开关损耗、驱动损耗和反向恢复损耗全部减少为零，并且功率损耗只是PFC待机功率。由于电流为零，THD为零。当PFC打开时，它传送的功率大于轻负载条件下所需要的功率，这是因为它需要对关闭期间的功率进行补偿。由于现在PFC在中度负载中运行或者完全关闭以跳过交流周期，轻负载效率被增加，而THD被减少。图表4和5显示了这一特殊突发模式所带来的效率和THD方面的改进。





需要注意的是，当PFC关闭来跳跃交流周期时，需要将电流环路和电压环路冻结。否则的话，这些环路中的积分器发生累积，在PFC重新打开时生成一个较大的PWM 脉冲，这个脉冲会导致一个很大的电流尖峰。

为了确定PFC是否进入轻负载状态，需要监视负载信息。正常情况下，在PFC输出上没有电流传感器，所以无法直接测量输出负载。然而，在VIN固定时，PFC电压环路输出与负载成比例。因此，环路输出可大体上用作一个指示器，确定PFC是否运行在轻负载条件下。


如果需要跳过精确数量的交流周期才能将输出电压纹波保持在额定范围内，那么就需要准确的负载信息。由于电路中有一个测量PFC电流环路稳压输入电流的电流分流器，那么就可以测量PFC的输入功率。输入电流和电压可由模数转换器 (ADC) 进行监视，然后这些转换器可被用来计算实际的输入功率。这些准确的输入功率信息可被用来精确地调节将被跳过的交流周期的数量。无需任何额外硬件。要获得准确PFC输入功率测量值的详细信息，请见参考文献1。

这一方法中需要注意的一点是负载瞬态期间的压降。假定PFC关闭时出现负载升压，VOUT 有可能会下降很多。为了解决这个问题，用比较器将VOUT 与预定阀值进行比较。一旦VOUT 低于这个阀值，PFC将立即退出突发模式，交流周期跳跃被禁用，并且PFC返回到正常运行。这种处理瞬态响应的方法就好像没有特殊突发模式一样。图表6显示交流周期跳跃期间0至100% 的负载瞬态效应。需要注意的是，瞬态期间的VOUT 压降只有27V，这一压降值对于-一个360W PFC来说很正常。



结论

全新的PFC 突发模式可以在PFC 运行在轻负载条件下时实现一个或多个交流周期的跳跃。因此，效率和THD都有所提升。此外，由于PFC在交流零交叉点上打开/关闭，电路应力和EMI噪声被相应地减少。可以根据负载来精确地调节将被跳过的交流周期数量，以便最大限度地提高性能，并且将输出电压纹波保持在额定的范围内。如果负载瞬态在PFC关闭时出现，突发模式被立即禁用，而由PFC正常处理负载瞬态效应。最后，可使用一个数字控制器来轻松实现此功能，而无需其他硬件。