为电源设计选择适合的功率因数校正电路结构

2004年4月B版

以往，大多数D类设备电源都使用某种形式的有源功率因数校正(PFC)电路来获得最高的功率因数。这是因为原来的D类设备包括了几乎所有采用75~600W电源的电子设备。现在，新法规规定D类设备仅包括个人计算机、PC监视器和电视接收机等。这意味着对于许多原来属于D类的设备，电源能否达到高功率因数已经不再是关键性的要求。在许多情况下，对于更宽松的A类谐波含量要求，特别是250W以下的情况，可以避免采用有源功率因数校正方法。

例如，在以前的D类法规中，180W的电源仅允许0.765A的三次谐波。而对于同样的设备，A类要求的允许值提高到2.3A，是原来的三倍。这一变化使得电源不再需要复杂且昂贵的单级和双级有源功率因数校正电路，设计人员可以利用简单的无源滤波器来满足要求(参看表1和2)。这一变化促使电源设计人员更细致地考察所有可用的功率因数校正电路结构。

无源PFC技术

无源功率因数校正电路(图2)采用低频滤波器元件来减少谐波。这种方法通常可满足功率在250W以下的企业网(EN)A类设备法规要求，与采用有源功率因数校正技术的开关电源相比，成本则要低得多。更少的元件数量以及不再使用有源开关和控制电路也意味着更高的可靠性以及更小的尺寸。同时，与有源电路相比，无源滤波器的效率损失也较低。

无源功率因数校正技术的缺点是功率因数通常仅可达到0.60~0.70，而且与有源结构不同，无源结构需要电压倍增电路才能在高于150W的电源中使用。如果设计中需要考虑维持足够的保持时间的话，还需要一个较大的电容器。

当选用无源PFC技术时，设计人员需要考虑到大多数无源滤波器是针对满足在给定输入功率水平(典型公差为20%)情况下的A类谐波要求而设计的。这样，通过两个电源并联来提高或加倍系统功率的作法就行不通了，因为两个或更多电源所吸入的电流会使谐波增加超出EN要求。幸运的是，仍然可通过并联的方式来提供一种电源冗余工作模式，由两个或更多个电源共担负载并且仍然满足标准要求，条件是系统消耗的总功率不能超过单个电源的额定功率值。

双级有源PFC技术

大多数双级PFC设计都采用了如图3所示的升压变换器结构。该技术的优点包括高功率因数(典型值可大于0.98)、总谐波失真低(THD典型值小于5%)以及可实现自动宽范围交流工作。高稳压总线电压(400V直流)允许采用较小的电容来获得所需要的保持时间，以及更高效的进行下变换器设计。

有源PFC变换器的缺点是需要成本更高也更复杂的有源电路，典型的效率损失为5~10%，同时为了平衡功耗和所产生的EMI，尺寸会变得更大。另一个缺点是应用于采用DC/DC、中间总线结构(IBA)或负载点(POL)变换器的分布式电源结构(DPA)中时，系统会有三或四级，从而影响到效率和总成本。尽管如此，在250W以上的大功率应用中，有源PFC仍然是最好的结构选择。

规定谐波失真的EN61001-3-2标准已颁布以及分布式电源结构(DPA)越来越流行，这两个因素相结合正在改变OEM电源制造商对于功率因数校正的看法。可以通过探索和实现现有以及新兴的技术来提高开关电源(SMPS)设计的可靠性、性能和成本效率。■

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