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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 高功率因數 (PF) 和高效率是服務器、網絡、5G電信、工業系統、電動汽車和其他一系列應用中所用 AC-DC 電源的關鍵要求。然而，電源設計者面臨的挑戰是如何同時滿足 IEC 61000-3-2 等標準的 PF 和電磁兼容性 (EMC) 要求，以及能源之星最新的 80 PLUS Titanium 效率標準。后者要求在 10% 的負載下至少達到 90% 的效率，以及在滿載時達到 94% 的效率。傳統的升壓 PF 校正 (PFC) 拓撲結構可以提供高 PF 和良好的 EMC，但包括了一個相對低效的二極管橋，因此使之難以達到預期的能效標準。 用無橋圖騰柱 PFC 拓撲結構取代二極管橋，可實現高 PF 和高效率。然而，這會帶來更大的復雜性，因為拓撲結構包括兩個控制回路：一個在線路頻率下運行的慢速回路，用于整流；另一個是用于升壓部分的高頻回路。從頭開始設計兩個控制環路是一個耗時的過程，可能會延誤產品上市，并導致解決方案的成本和規模超出必要。 為了應對這些挑戰，設計者可以轉而采用 PFC 控制器 IC，這些 IC 針對無橋圖騰柱 PFC 設計進行了優化。這些控制器采用內部補償型數字回路，可以實現逐周期電流限制，而不需要霍爾效應傳感器，并且可以與硅 MOSFET 或寬帶隙 (WBG) 開關器件，如碳化硅 (SiC) 或氮化鎵 (GaN)，一起使用。由此產生的 PFC 可以在 90 至 265 伏交流電輸入下運行，效率高達 99%。 本文簡要回顧了 AC-DC 電源需要滿足的行業標準，比較了各種 PFC 拓撲結構的性能，并確定了無橋圖騰柱 PFC 何時才是最佳選擇。然后介紹了 Onsemi 針對在無橋圖騰柱 PFC 中使用而優化的控制器 IC，以及支持組件、評估板和加速開發過程的設計建議。 效率可能很復雜 電源效率比最初看起來要復雜，因為它包括交流和直流兩個成份。簡單來說，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，會導致從交流電網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）來表示。為了完整描述 AC-DC 電源的效率，需要同時包括 DC 效率和 PF。更具挑戰性的是，效率曲線不是平坦的：效率和 PF 會隨著輸入電壓和輸出負載等參數而變化。 為了考慮這些變化，像能源之星這樣的效率標準定義了不同負載水平和不同輸入電壓下的效率，以及對 PF 的要求（表 1）。最高級別稱為“80 PLUS Titanium”，規定 115 伏交流輸入在 10% 和 100% 額定負載下的最低效率為 90%，在 50% 額定負載下的效率為 94%，另外在 20% 額定負載下的 PF 值 ≥95%。對于 230 伏的交流輸入，需要更高的效率。此外，電源應符合 IEC 61000-3-2 標準，該標準對電源線的諧波進行了限制。 
表 1：像能源之星這樣的性能標準包括了對 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換器；另一種是更復雜、更高效的基于主動整流方式的圖騰柱拓撲結構（圖 1）。升壓轉換器 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% 負載條件下，要達到 80 PLUS Titanium 要求的 96% 的效率是很有挑戰性的。在要求最高效率水平的應用中，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 拓撲結構包括一個基本的升壓轉換器（左）和一個圖騰柱（右）。（圖片來源：Onsemi） 在上面的圖騰柱 PFC 中，Q3 和 Q4 是慢腿，在線路頻率上實現同步整流，而 Q1 和 Q2 構成快腿，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 Q1 和 Q2 使用低導通電阻 (RON) MOSFET 實現圖騰柱，但由于 MOSFET 的反向恢復導致的高頻開關損耗會降低效率。因此，在許多圖騰柱 PFC 設計中，Q1 和 Q2 硅 MOSFET 被替換為 SiC 或 GaN 功率開關，其反向恢復損耗很小或沒有。 優化的控制 設計 PFC 時的另一個決定是控制技術的選擇。PFC 可以在連續導通模式 (CCM)、不連續模式 (DCM) 或臨界導通模式 (CrM) 下運行。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，并保持較低的導通和磁芯損耗，但 CCM 是硬開關，動態損耗較高。DCM 可以有效地實現低功耗操作，但卻存在著相對較高的峰值和均方根電流，導致電感中的傳導和鐵心損耗較高。 CrM 可以在高達幾百瓦的設計中提供更高的效率。通過 CrM，可以監測線路電壓和負載電流的變化，且開關頻率可調整為在 CCM 和 DCM 之間運行。CrM 具有較低的導通損耗，它將峰值電流限制在平均電流的兩倍，將傳導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 時也有一些挑戰： · 這是一個硬開關拓撲結構，升壓裝置的正向恢復增加了一些損失，并可能導致輸出電壓過沖。 · 在輕載時，它在非常高的頻率下運行，增加了開關損耗并降低了效率。 · 有四個有源器件需要控制，另外還需要檢測 PFC 電感器中的零電流以有調節輸出電壓。 CrM 可以使用在線傳感器和一個微控制器 (MCU) 來執行復雜的控制算法。對算法進行編碼以考慮上述性能挑戰是有風險的，而且很耗時間，可能會推遲上市時間。 無碼圖騰柱 為了解決這些問題，設計人員可以求助于 onsemi 的 NCP1680ABD1R2G 混合信號控制器，該控制器提供了一個集成的、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 汽車級應用要求，具有低損耗、低成本、電阻式電流檢測特性，并實現了逐周期電流限制保護，無需霍爾效應傳感器（圖 3）。這個內部補償型數字電壓控制回路在整個負載范圍內優化了性能，簡化了 PFC 設計。
圖 3：NCP1680 CrM 控制器使用低成本、高效率的電阻式電流感應方式（示意圖右下角 ZCD）。（圖片來源：Onsemi） 高速柵極驅動器 NCP1680 控制器可與 Onsemi 的 4 x 4 毫米 (mm) 15 引腳 QFN 封裝的 NCP51820 高速柵極驅動器搭配，旨在用于半橋拓撲結構中的柵極注入晶體管 (GIT)、GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 和增強模式 (e-mode) GaN 功率開關（圖 4）。
圖 4：NCP1680 控制器（左）可與 NCP51820 高速柵極驅動器（右）搭配，來驅動圖騰柱 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）的高壓側驅動。該激勵級有專用的穩壓器，以保護 GaN 器件的柵極免受電壓應力的影響。NCP51820 柵極驅動器包括獨立的欠壓鎖定 (UVLO) 和熱關斷保護功能。 為了加快上市速度，設計人員可以使用 NCP51820GAN1GEVB 評估板 (EVB)。該 EVB 有助于設計人員了解 NCP51820 驅動器的性能，以有效驅動圖騰柱配置中的兩個 GaN 電源開關。NCP51820GAN1GEVB 采用四層 1310 千分之一英寸 (mil) × 1180 mil 印刷電路板設計。它包括 NCP51820 GaN 驅動器和兩個采用半橋配置的 e-mode GaN 功率開關（圖 5）。
圖 5：NCP51820GAN1GEVB EVB 包括一個 NCP51820 驅動器和兩個采用半橋配置的 E-mode GaN 開關。（圖片來源：Onsemi） 設計建議 在使用這些 IC 時，設計人員可以遵循一些簡單的設計建議來實現最佳性能。例如，為了防止噪聲耦合到信號路徑中并意外觸發 NCP51820 柵極驅動器，onsemi 建議在柵極驅動器 IC 的輸入端直接濾除來自 NCP1680 的控制信號（PWMH 和 PWML）。方法是直接在該驅動器的引腳上放置一個 1 千歐姆 (kΩ) 的電阻和一個 47 或 100 皮法 (pF) 的電容，就足以濾除（圖 6）。
圖 6：在 NCP51820 柵極驅動 IC 的輸入端對來自 NCP1680 的 PWMH 和 PWML 控制信號進行過濾，可以防止噪聲影響，如 NCP51820 的意外觸發。這里使用了 1 kΩ 電阻（左中）和 47 pF 的電容（右中）進行濾波。（圖片來源：Onsemi） NCP1680 的跳過/待機模式能夠實現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，并與 NCP13992 諧振模式控制器連接（圖 7）。接口電路的元器件規格應與 NCP1680 EVB 上的元件規格相似。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。當轉換器進入跳過模式時，就會將脈沖接地。要進入跳過模式，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/待機模式所需的外部觸發電路實例。（圖片來源：Onsemi） 結語 使用典型的升壓轉換器 PFC 拓撲結構時，如需同時滿足最新能源之星標準（如 80 PLUS Titanium）的效率、EMC 和 PF 要求，可能是一個挑戰。設計人員可以轉而采用圖騰柱式 PFC 拓撲結構。綜上所述，使用 NCP1680 混合信號控制器以及來自 onsemi 的支持性元件（如 NCP51820 柵極驅動器、評估板以及一些設計最佳實踐），可以讓設計人員快速實現 CrM 圖騰柱 PFC 解決方案，同時滿足所需的標準。 |
