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產業動態 配合新應用需求的先進PFC技術及方案
采杰公關顧問有限公司 本新聞稿發佈於2009/04/07,由發布之企業承擔內容之立場與責任,與本站無關

功率因數修正(PFC)是電源設計人員面對的重要任務。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。

 
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功率因數修正(PFC)是電源設計人員面對的重要任務。根據IEC61000-3-2諧波標準中的D類規定,功率在75 W以上的個人電腦和電視機等電子系統的電源要進行PFC。

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。

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。

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。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。

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。

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。

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。

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。

- 新聞稿有效日期,至2009/05/08為止


聯絡人 :Eric Tsai
聯絡電話:886-2-8773-4277
電子郵件:eric_tsai@accesspr.com.tw

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