【導(dǎo)讀】PFC( Power Factor Correction)被稱(chēng)為“功率因數(shù)校正”，被定義為有效功率和總耗電量(視在功率)的比值。當(dāng)使用于大中功率開(kāi)關(guān)電源時(shí)，提高功率因數(shù)可以降低電網(wǎng)傳輸中的損耗從而提高電能的輸送效率。因此提高功率因數(shù)有著重要的意義。
本文將為大家介紹川土微電子CA-IS120X/130X系列產(chǎn)品在PFC中的應(yīng)用，并針對(duì)實(shí)際應(yīng)用提出使用方法和控制建議。
01 功率因數(shù)的定義
功率因數(shù)定義為交流電路有功功率P(W)對(duì)視在功率S(V*A)的比值。當(dāng)交流電壓和電流相位不同時(shí)，則功率因數(shù)小于1。用戶電器設(shè)備在一定電壓和功率下，該值越高效益越好，發(fā)電設(shè)備越能充分利用。常用表示，功率因數(shù)
。
圖1：功率因數(shù)定義
對(duì)于沒(méi)有PFC 的升壓電路，主要由整流橋電路，升壓功率級(jí)以及控制電路組成，如圖 2 所示。整流電路將市電(220V/50Hz)轉(zhuǎn)化成直流電，整流后由于升壓電路輸入存在大電容(CBULK)造成有尖峰電流。另外，此時(shí)在輸入市電側(cè)產(chǎn)生畸變的電流iac，里面含有基波成分，也含有諧波成分。在該電路中，升壓電路只控制輸出電壓VOUT，對(duì)輸入電流沒(méi)有任何調(diào)節(jié)。波形如圖 3 所示：
圖2：整流橋+升壓電路
圖3：整流橋+升壓電路典型波形
PFC電路將輸入側(cè)相電流也加入控制環(huán)路，對(duì)電流波形和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)提高功率因數(shù)的控制。
如圖 4所示。檢測(cè)到的輸出電壓和輸出參考電壓進(jìn)行比較，通過(guò)PI或PID將輸出誤差放大，放大后的信號(hào)和輸入總線電壓Vbus相乘，從而得到直流母線側(cè)的電流的參考 包絡(luò)線，最后通過(guò)控制器可以在保證輸出電壓達(dá)到預(yù)定值的情況下母線電流追蹤母線電壓。該控制器有多種控制方法和架構(gòu)，后面章節(jié)會(huì)講述。
注：忽略直流側(cè)輸入母線電壓過(guò)低引起的電壓無(wú)法轉(zhuǎn)換問(wèn)題，實(shí)際存在填谷電路。
圖4：整流橋+PFC 升壓電路
02 高邊電流采樣
電流采樣一般分為高邊采樣和低邊采樣。高邊采樣具有比較高的對(duì)地共模電壓，可以使用川土微電子的產(chǎn)品CA-IS3105W做為隔離電源。R_SNS為高邊采樣電阻，當(dāng)電流流過(guò)電阻時(shí)，該電阻上產(chǎn)生壓降，使用電流放大器CA-IS1200/CA-IS1300將壓降傳送到低壓側(cè)，通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入DSP或MCU。也可以使用CA-IS1204、CA-IS1305/06將差分電壓信號(hào)傳送到低邊，通過(guò)MCU直接取低壓側(cè)的數(shù)字信號(hào)。
高邊采樣如圖 5和圖 6所示。
圖5：高邊電流采樣示意圖1
圖6：高邊電流采樣示意圖2
高邊側(cè)電流采樣方式使用時(shí)有以下特點(diǎn)：
1>供電復(fù)雜，必須使用隔離電源。
2>隔離電源輸出地連接采樣側(cè)的低電壓端，不能連接至功率級(jí)GND。
3>使用隔離電源時(shí)要注意輸入和輸出側(cè)使用LDO或?yàn)V波器，以防止輸入輸出側(cè)電壓紋波干擾其他信號(hào)。
4>正常工作時(shí)高邊側(cè)供電隔離柵耐壓為母線電壓，因此對(duì)隔離器耐壓是考驗(yàn)，最終影響芯片工作壽命。
5>高邊采樣對(duì)于升壓boost電路而言，可以對(duì)電感全開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電流進(jìn)行監(jiān)控和控制， PFC boost電路控制方式多樣靈活。
高邊采樣PFC 升壓電路的控制方法
● 01定頻峰值電流控制
電感峰值電流，定頻率控制，如圖 7所示。輸出電壓和參考電壓通過(guò)PI/PID進(jìn)行比較放大，在和輸入直流總線電壓相乘得到總線電流指令值。控制邏輯通過(guò)比較器U2和觸發(fā)器U1產(chǎn)生。如果開(kāi)關(guān)管Q2開(kāi)通，Q1關(guān)閉，那么電感電流ibus增大。K_ibus為ibus一定比例放大后的轉(zhuǎn)換值。當(dāng)電流K_ibus達(dá)到指令峰值VCOMP時(shí),比較器U2輸出高電平，重置觸發(fā)器U1，此時(shí)開(kāi)關(guān)管Q2關(guān)閉，Q1開(kāi)通，電感電流放電直至觸發(fā)器由于固定頻率的脈沖而被置高。
圖7：定頻峰值電流控制PFC升壓電路
如圖 8所示，工作于CCM(Continuous Current Mode) 的升壓電路，當(dāng)電感電流觸碰到指令電流后，電感電流停止充電開(kāi)始放電，電感電流形成的包絡(luò)線呈正弦波。包絡(luò)線的平均值接近正弦波形。對(duì)于工作于DCM(Discontinuous Current Mode)的升壓電壓。電感電流觸碰到指令電流后，電感電流停止充電并開(kāi)始放電，當(dāng)電流降至零時(shí)觸發(fā)電流過(guò)零檢測(cè)邏輯，開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)閉且保持關(guān)閉狀態(tài)直至?xí)r鐘信號(hào)觸發(fā)下一開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)關(guān)管通斷。工作于峰值電流控制模式時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率保持定值。
圖8：BCM峰值控制PFC升壓電路
還有一種介于DCM和CCM之間被稱(chēng)為BCM(Boundary Current Mode)，即電感放電至過(guò)零時(shí)，啟動(dòng)下一開(kāi)關(guān)周期的通斷，因此電路中需要電流過(guò)零檢測(cè)(ZCD)環(huán)節(jié)。該模式下開(kāi)關(guān)頻率可變，隨輸入、輸出、負(fù)載等情況變化。電路和波形分別如圖 9和圖 10 所示。
圖9：BCM 峰值控制PFC 升壓電路
圖10：BCM 峰值控制PFC 升壓電路波形
● 02遲滯控制
遲滯控制(Hysteresis Control)將被控量的上下限做為控制的參數(shù)。當(dāng)電流碰到目標(biāo)控制量上限時(shí)，電感電流開(kāi)始放電，直至碰到控制量下限。該種控制將被控量控制在一定范圍內(nèi)，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，頻率不固定，控制電路如圖 11，波形如圖 12 所示。
圖11：遲滯控制PFC 升壓電路
圖12：遲滯控制PFC 升壓電路波形
03 低邊電流采樣
如果將采樣電阻串聯(lián)在開(kāi)關(guān)管上為低邊電流采樣，如圖 13 和圖 14 所示。
低邊采樣具有低的對(duì)地共模電壓，R_SNS 為高邊采樣電阻，當(dāng)電流流過(guò)電阻時(shí)，該電阻上產(chǎn)生壓降，使用電流放大器CA-IS1200/CA-IS1300 將壓降傳送到低壓側(cè)，通過(guò)ADC 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入DSP 或MCU，如圖 13 所示。也可以使用CA-IS1204、CA-IS1305/06 將差分電壓信號(hào)傳送到低邊，通過(guò)MCU 直接讀取低壓側(cè)的數(shù)字信號(hào)，如圖 14 所示。該種采樣模式由于高壓側(cè)參考對(duì)地，因此可使用隔離電源CA-IS3105W，但是隔離電源輸入和輸出建議串接LDO 或者濾波器連接至VDD2，這樣依然有一定的成本。另外一種方式即電阻和穩(wěn)壓管串聯(lián)的，這種方式比較經(jīng)濟(jì)。
低邊側(cè)電流采樣方式使用時(shí)有以下特點(diǎn)：
1> 供電相對(duì)簡(jiǎn)單，可以不使用隔離電源。
2> 如果使用隔離電源供電，要注意輸入和輸出側(cè)使用LDO 或?yàn)V波器，防止輸入輸出側(cè)電壓紋波干擾其他信號(hào)。
3> 正常工作時(shí)隔離柵電壓很低，因此對(duì)一般情況下隔離柵承受應(yīng)力很小。
4> 高邊采樣對(duì)于升壓boost 電路而言，開(kāi)關(guān)周期內(nèi)只能對(duì)電感充電電流進(jìn)行監(jiān)控和控制， PFC boost 電路控制方式受限。
圖13：低邊電流采樣示意圖1
圖14：低邊電流采樣示意圖2
低邊電流采樣PFC 升壓電路的控制方法
● 01固定開(kāi)關(guān)時(shí)間控制COT
當(dāng)電感電流觸碰到指令電流后，電感電流停止充電開(kāi)始放電，通過(guò)One-shot 邏輯產(chǎn)生一個(gè)固定時(shí)間的脈沖寬度即一個(gè)固定的放電時(shí)間。當(dāng)這個(gè)固定的時(shí)間完成，電感電流開(kāi)始充電直至電感電流再次碰到指令電流。電感電流形成的包絡(luò)線呈正弦波。包絡(luò)線的平均值接近正弦波形。該模式下開(kāi)關(guān)頻率可變，隨輸入、輸出、負(fù)載等情況變化。
圖15：固定關(guān)斷時(shí)間控制電路
圖16：固定關(guān)斷時(shí)間控制波形
除以上控制方式除外，還有其他控制方式例如平均電流模式控制，谷值電流控制，固定開(kāi)通時(shí)間（Constant On Time），電壓控制模式等，本章不再詳細(xì)敘述。
● 02高邊采樣和低邊電流采樣對(duì)比分析
04 電壓采樣
由于PFC 電路中需要對(duì)輸入母線和輸出電壓做采樣。采樣輸入母線電壓用于獲得輸入電壓的相位信息，采樣輸出電壓用于負(fù)反饋回路，如圖 17 所示。當(dāng)需要電壓采樣時(shí)，要注意輸入電壓的范圍以保證輸入采樣得到的共模和差模電壓在放大器的正常工作范圍內(nèi)。使用分壓電阻將輸入電壓按比例降下來(lái)然后再送入電流放大器，必須滿足以下條件：
注：公式（3）非必須滿足，使用DSP 或者M(jìn)CU 濾波算法亦可實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波功能。
VRange 為放大器最大輸入差分電壓，Vbus 為輸入直流母線電壓最大值, f_Vbus 為輸入直流母線電壓頻率。
R3=R2//R1 用來(lái)抵消放大器由于輸入電流引起的失調(diào)電壓。C1 和R1，R2，R3 組成低通濾波器對(duì)放大器輸入電壓進(jìn)行濾波。詳情請(qǐng)參看川土應(yīng)用筆記《基于CA-IS1200_1300 的隔離母線電壓檢測(cè)方案》。
采樣輸出壓為了獲得輸出電壓，用于負(fù)反饋控制，如圖 17 所示。當(dāng)需要輸出電壓采樣時(shí)，要注意輸出電壓的范圍以保證輸入采樣得到的共模和差模電壓在電流放大器的正常工作范圍內(nèi)。使用分壓電阻將輸入電壓按比例降下來(lái)然后再送入電流放大器，必須滿足以下條件：
VRange 為放大器最大輸入差分電壓，VOUT 為輸出電壓, fs 為變換器開(kāi)關(guān)頻率。
圖17：升壓電路電壓采樣圖
05 PCB設(shè)計(jì)范例
低邊電流采樣PFC 升壓電路的控制方法
● 01電流檢測(cè)放大器應(yīng)用于檢測(cè)電流注意事項(xiàng)
當(dāng)電流檢測(cè)放大器用于檢測(cè)電流時(shí)，必須注意以下事項(xiàng)，如圖 18 所示：
1> C1 和C2 為芯片供電提供儲(chǔ)能和濾波功能，因此C1 和C2 緊靠芯片VDD1 和VDD2 引腳擺放。
2> R_SNS 為電流檢測(cè)電阻，當(dāng)電流流過(guò)該電阻時(shí)產(chǎn)生壓降，該壓降通過(guò)送入電流檢測(cè)放大器。設(shè)計(jì)時(shí)盡量用差分走線方式。當(dāng)差分線比較長(zhǎng)時(shí)，可以采用R1 和R2，C2 做為濾波器，也可以減少差分線由于阻抗偏差造成的檢測(cè)誤差，因此R1=R2。
3> INP/INN、OUTP/OUTN 差分對(duì)容易受到干擾，設(shè)計(jì)時(shí)注意遠(yuǎn)離干擾源，一般為高
