专为电源无桥接 PFC 设计选用数字控制器

由于效率要求的不断增长，许多电源制造厂商开始将注意力转向无桥功率因数校正 (PFC) 拓扑结构。一般而言，无桥接 PFC可以通过减少线路电流通路中的半导体组件数目来降低传导损耗。尽管无桥接 PFC 的概念已经提出了许多年，但因其实施的难度和控制的复杂程度，阻碍了其成为一种主流。

一些专为电源而设计的低成本、高性能数字控制器上市以后，越来越多的电源公司开始为 PFC 设计选择使用这些新型数字控制器。相比传统的模拟控制器，数字控制器拥有许多优势，例如：可编程配置、非线性控制、低组件数目，以及最为重要的复杂功能实施能力（模拟方法通常较难实现）。

大多数现今的数字电源控制器，例如：TI 的融合数字电源 (Fusion Digital PowerTM) 控制器 UCD30xx 等都有许多集成电源控制外设和一个电源管理内核，例如：数字环路补偿器、快速模数转换器 (ADC)、内置停滞时间的高分辨率数字脉宽调制器 (DPWM)、低功耗微控制器等。它们是如无桥接 PFC 等复杂高性能电源设计的较好选择。

在其他一些无桥接 PFC 拓扑结构中[1] [2]，图 1 是一个已经为业界所广泛采用的无桥接 PFC 实例。它具有两个 DC/DC 升压电路[3] [4]，一个由 L1、D1 和S1 组成，而另一个则由 L2、D2 和 S2 组成。D3 和 D4 为慢速恢复二极管。通过参考内部电源接地单独检测线压和中性点电压，测量得到输入 AC 电压。通过对比检测线压信号和中性点信号，固件便知道其为一个正半周期，还是一个负半周期。在一个正半周期期间，第一个 DC/DC 升压电路即 L1-S1-D1 有效，同时升压电流回到二极管 D4 的 AC 中性点。在一个负半周期期间，第二个 DC/DC 升压电路即 L2-S2-D2 有效，同时升压电流回到二极管 D3 的 AC 线。像 UCD3020 这样的数字控制器用于控制这种无桥接 PFC。

图 1 数字控制无桥接 PFC

无桥接 PFC 基本都由两个相升压电路组成，但在任何时候都只有一个相有效。对比使用相同功率器件的传统单相 PFC，无桥接 PFC 和单相 PFC 的开关损耗应该是一样的。但是，无桥接 PFC 电流在任何时候都只通过一个慢速二极管（正半周期为 D4，负半周期为 D3），而非两个。因此，效率提高的多少取决于一个二极管和两个二极管之间的传导损耗差异。另外，通过完全开启关闭的开关可以进一步提高无桥接 PFC 效率。例如，在一个正周期期间，S1 通过 PWM 信号控制，而 S2 则可以完全开启。当流动的电流低于某个值时，MOSFET S2 的压降可能会低于二极管 D4，因此返回电流部分或者全部流经 L1-D1-RL-S2-L2，然后返回 AC 源。传导损耗可以降低，电路效率也可以得到提高，特别是在轻负载的情况下。同样，在一个负周期期间，S2 开关时，S1 被完全开启。图 2 显示了 S1 和 S2 的控制波形。

图 2 无桥接 PFC 的 PWM 波形

传统上，效率指的是满负载状态下高线压和低线压的效率。现在，如计算服务器和远距离通信电源等大多数应用，除满负载状态效率以外，还要求 10%-50% 负载范围状态的效率也必须满足标准规范。大多数 AC/DC 应用中，系统有 PFC 和下游DC/DC 级，因此我们根据整个系统来测量效率。若想提高轻负载状态下的总系统效率，一种方法是降低 PFC 输出电压和开关频率。这要求了解负载信息，而这项工作通常是通过使用一些额外电路测量输出电流来实现的。但是，利用数字控制器，便不再需要这些额外电路。输入 AC 电压和 DC 输出电压相同时，输出电流与电压环路输出成正比。因此，如果我们知道电压环路的输出，我们便可以相应地调节频率和输出电压。使用数字控制器以后，电压环路通过固件来实现，其输出已知，所以实现这种特性便十分容易，并且成本比使用模拟方法要低得多。

无桥接 PFC 的难题之一是如何检测整流后的 AC 电流。如前所述，AC 返回电流（部分或者全部）可能会流经处于非活动状态的开关，而非慢速二极管 D3/D4。因此，在接地通路中使用一个分路器来检测电流（通常在传统 PFC 中使用），已不再适用。取而代之的是，使用一个变流器 (CT)，每相一个（图 1）。这两个变流器的输出被整流，然后组合在一起，产生电流反馈信号。由于在任何时候都只有一个变流器整流输出信号，即使在其组合时也是如此，因此任何时候都只有一个反馈电流信号。

图 3 连续导通模式的检测电流波形

图 4 非连续导通模式的检测电流波形