何时及如何使用无桥图腾柱功率因数校正

作者：Jeff Shepard

高功率因数 (PF) 和高效率是服务器、网络、5G电信、工业系统、电动汽车和其他一系列应用中所用 AC-DC 电源的关键要求。然而，电源设计者面临的挑战是如何同时满足 IEC 61000-3-2 等标准的 PF 和电磁兼容性 (EMC) 要求，以及能源之星最新的 80 PLUS Titanium 效率标准。后者要求在 10% 的负载下至少达到 90% 的效率，以及在满载时达到 94% 的效率。传统的升压 PF 校正 (PFC) 拓扑结构可以提供高 PF 和良好的 EMC，但包括了一个相对低效的二极管桥，因此使之难以达到预期的能效标准。

用无桥图腾柱 PFC 拓扑结构取代二极管桥，可实现高 PF 和高效率。然而，这会带来更大的复杂性，因为拓扑结构包括两个控制回路：一个在线路频率下运行的慢速回路，用于整流；另一个是用于升压部分的高频回路。从头开始设计两个控制环路是一个耗时的过程，可能会延误产品上市，并导致解决方案的成本和规模超出必要。

为了应对这些挑战，设计者可以转而采用 PFC 控制器 IC，这些 IC 针对无桥图腾柱 PFC 设计进行了优化。这些控制器采用内部补偿型数字回路，可以实现逐周期电流限制，而不需要霍尔效应传感器，并且可以与硅 MOSFET 或宽带隙 (WBG) 开关器件，如碳化硅 (SiC) 或氮化镓 (GaN)，一起使用。由此产生的 PFC 可以在 90 至 265 伏交流电输入下运行，效率高达 99%。

本文简要回顾了 AC-DC 电源需要满足的行业标准，比较了各种 PFC 拓扑结构的性能，并确定了无桥图腾柱 PFC 何时才是最佳选择。然后介绍了 Onsemi 针对在无桥图腾柱 PFC 中使用而优化的控制器 IC，以及支持组件、评估板和加速开发过程的设计建议。

效率可能很复杂

电源效率比最初看起来要复杂，因为它包括交流和直流两个成份。简单来说，效率是指输入功率与输出功率之比。然而，典型的 AC-DC 电源的输入功率不是纯正弦波，会导致从交流电网获取的电力存在同相和非同相差异。这种差异我们用 PF（功率因数）来表示。为了完整描述 AC-DC 电源的效率，需要同时包括 DC 效率和 PF。更具挑战性的是，效率曲线不是平坦的：效率和 PF 会随着输入电压和输出负载等参数而变化。

为了考虑这些变化，像能源之星这样的效率标准定义了不同负载水平和不同输入电压下的效率，以及对 PF 的要求（表 1）。最高级别称为“80 PLUS Titanium”，规定 115 伏交流输入在 10% 和 100% 额定负载下的最低效率为 90%，在 50% 额定负载下的效率为 94%，另外在 20% 额定负载下的 PF 值 ≥95%。对于 230 伏的交流输入，需要更高的效率。此外，电源应符合 IEC 61000-3-2 标准，该标准对电源线的谐波进行了限制。

表 1：像能源之星这样的性能标准包括了对 PF 以及效率的要求。（表格来源：Onsemi）

有两种常见的 PFC 方法：一种是基于二极管整流的升压转换器；另一种是更复杂、更高效的基于主动整流方式的图腾柱拓扑结构（图 1）。升压转换器 PFC 可以满足基本的 PF 和效率要求，但不足以满足 80 PLUS Titanium 等严格的要求。例如，在升压 PFC 中，在 DC-DC 阶段可能有 2% 的损失，在线路整流和 PFC 阶段有 1% 的损失（在线路低压工作时可能上升到近 2%）。由于在低压线路上有近 4% 的损耗，因此在 230 伏交流电和 50% 负载条件下，要达到 80 PLUS Titanium 要求的 96% 的效率是很有挑战性的。在要求最高效率水平的应用中，可以通过用同步整流取代二极管整流器来减少 PFC 阶段的损失。

图 1：两种常见的 PFC 拓扑结构包括一个基本的升压转换器（左）和一个图腾柱（右）。（图片来源：Onsemi）

在上面的图腾柱 PFC 中，Q3 和 Q4 是慢腿，在线路频率上实现同步整流，而 Q1 和 Q2 构成快腿，将整流后的电压提升到更高的水平，如 380 伏直流。虽然有可能对 Q1 和 Q2 使用低导通电阻 (RON) MOSFET 实现图腾柱，但由于 MOSFET 的反向恢复导致的高频开关损耗会降低效率。因此，在许多图腾柱 PFC 设计中，Q1 和 Q2 硅 MOSFET 被替换为 SiC 或 GaN 功率开关，其反向恢复损耗很小或没有。

优化的控制

设计 PFC 时的另一个决定是控制技术的选择。PFC 可以在连续导通模式 (CCM)、不连续模式 (DCM) 或临界导通模式 (CrM) 下运行。这些模式因升压电感器（图 1 中的 L1）的工作特性而不同。CCM 能最好地利用电感器，并保持较低的导通和磁芯损耗，但 CCM 是硬开关，动态损耗较高。DCM 可以有效地实现低功耗操作，但却存在着相对较高的峰值和均方根电流，导致电感中的传导和铁心损耗较高。

CrM 可以在高达几百瓦的设计中提供更高的效率。通过 CrM，可以监测线路电压和负载电流的变化，且开关频率可调整为在 CCM 和 DCM 之间运行。CrM 具有较低的导通损耗，它将峰值电流限制在平均电流的两倍，将传导和铁心损耗保持在合理的水平（图 2）。

图 2：CrM PFC 升压电感器峰值电流 (Ipk) 被限制在输入线路电流的两倍。（图片来源：Onsemi）

然而，在使用 CrM 时也有一些挑战：

· 这是一个硬开关拓扑结构，升压装置的正向恢复增加了一些损失，并可能导致输出电压过冲。
· 在轻载时，它在非常高的频率下运行，增加了开关损耗并降低了效率。
· 有四个有源器件需要控制，另外还需要检测 PFC 电感器中的零电流以有调节输出电压。

CrM 可以使用在线传感器和一个微控制器 (MCU) 来执行复杂的控制算法。对算法进行编码以考虑上述性能挑战是有风险的，而且很耗时间，可能会推迟上市时间。

无码图腾柱

为了解决这些问题，设计人员可以求助于 onsemi 的 NCP1680ABD1R2G 混合信号控制器，该控制器提供了一个集成的、无需代码的 CrM 图腾柱 PFC 解决方案。这款采用 SOIC-16 封装的控制器符合 AEC-Q100 汽车级应用要求，具有低损耗、低成本、电阻式电流检测特性，并实现了逐周期电流限制保护，无需霍尔效应传感器（图 3）。这个内部补偿型数字电压控制回路在整个负载范围内优化了性能，简化了 PFC 设计。

图 3：NCP1680 CrM 控制器使用低成本、高效率的电阻式电流感应方式（示意图右下角 ZCD）。（图片来源：Onsemi）

高速栅极驱动器

NCP1680 控制器可与 Onsemi 的 4 x 4 毫米 (mm) 15 引脚 QFN 封装的 NCP51820 高速栅极驱动器搭配，旨在用于半桥拓扑结构中的栅极注入晶体管 (GIT)、GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 和增强模式 (e-mode) GaN 功率开关（图 4）。

图 4：NCP1680 控制器（左）可与 NCP51820 高速栅极驱动器（右）搭配，来驱动图腾柱 PFC 中的 GaN 功率器件。（图片来源：Onsemi）

例如，NCP51820AMNTWG 具有匹配的短传播延迟和共模电压范围，适合 -3.5 伏至 +650 伏（典型值）的高压侧驱动。该激励级有专用的稳压器，以保护 GaN 器件的栅极免受电压应力的影响。NCP51820 栅极驱动器包括独立的欠压锁定 (UVLO) 和热关断保护功能。

为了加快上市速度，设计人员可以使用 NCP51820GAN1GEVB 评估板 (EVB)。该 EVB 有助于设计人员了解 NCP51820 驱动器的性能，以有效驱动图腾柱配置中的两个 GaN 电源开关。NCP51820GAN1GEVB 采用四层 1310 千分之一英寸 (mil) × 1180 mil 印刷电路板设计。它包括 NCP51820 GaN 驱动器和两个采用半桥配置的 e-mode GaN 功率开关（图 5）。

图 5：NCP51820GAN1GEVB EVB 包括一个 NCP51820 驱动器和两个采用半桥配置的 E-mode GaN 开关。（图片来源：Onsemi）

设计建议

在使用这些 IC 时，设计人员可以遵循一些简单的设计建议来实现最佳性能。例如，为了防止噪声耦合到信号路径中并意外触发 NCP51820 栅极驱动器，onsemi 建议在栅极驱动器 IC 的输入端直接滤除来自 NCP1680 的控制信号（PWMH 和 PWML）。方法是直接在该驱动器的引脚上放置一个 1 千欧姆 (kΩ) 的电阻和一个 47 或 100 皮法 (pF) 的电容，就足以滤除（图 6）。

图 6：在 NCP51820 栅极驱动 IC 的输入端对来自 NCP1680 的 PWMH 和 PWML 控制信号进行过滤，可以防止噪声影响，如 NCP51820 的意外触发。这里使用了 1 kΩ 电阻（左中）和 47 pF 的电容（右中）进行滤波。（图片来源：Onsemi）

NCP1680 的跳过/待机模式能够实现非常好的空载和轻载性能，但它必须通过给 PFCOK 引脚提供脉冲或给 SKIP 引脚接地来从外部触发，并与 NCP13992 谐振模式控制器连接（图 7）。接口电路的元器件规格应与 NCP1680 EVB 上的元件规格相似。在正常操作下，NCP13992 谐振模式控制器的 PFCMODE 引脚与控制器的 VCC 偏置电压相同。当转换器进入跳过模式时，就会将脉冲接地。要进入跳过模式，PFCOK 引脚必须低于 400 毫伏 (mV) 超过 50 微秒 (μs)。

图 7：在 NCP1680 中激活跳过/待机模式所需的外部触发电路实例。（图片来源：Onsemi）

结语

使用典型的升压转换器 PFC 拓扑结构时，如需同时满足最新能源之星标准（如 80 PLUS Titanium）的效率、EMC 和 PF 要求，可能是一个挑战。设计人员可以转而采用图腾柱式 PFC 拓扑结构。综上所述，使用 NCP1680 混合信号控制器以及来自 onsemi 的支持性元件（如 NCP51820 栅极驱动器、评估板以及一些设计最佳实践），可以让设计人员快速实现 CrM 图腾柱 PFC 解决方案，同时满足所需的标准。