通过集成式解决方案进一步简化PFC电路的设计

开关电源因具有良好的输入电压调整率和负载调整率、高转换效率以及体积小巧等优势，如今几乎为所有电子系统采用。在最高至500 W的功率范围内，开关电源包括大批量不同功率的应用，例如LED/LCD电视机、LED照明、PC以及其他IT设备。对于所有这些应用来说，涵盖系统功耗和环境影响的法规正在全球范围内变得越来越严格，特别是在效率和功率因数方面。遗憾的是，开关电源可从AC电源吸收高幅度窄脉冲，从而产生输入线电流的多次谐波。电流脉冲的高谐波含量与电源的无功输入同时存在，容易降低功率因数，并造成EMI问题和能源损耗。

功率因数

功率因数(PF)用于表示电子设备所吸收AC输入电压与电流之间的关系。当输入电压和输入电流完全一致时，设备的功率因数就为1。如上面所述的任何非线性特性会使功率因数降到1以下。这种情况不是理想的，因为这会造成能源浪费，并且在电能中存在噪声污染，干扰到其他设备。功率因数校正(PFC)电路是开关电源中的一个重要元素，它们的作用是使电源的输入端表现为供电系统的线性负载。有效的PFC电路可同时降低峰值电流和RMS电流，并优化AC电源的供电效率。

由于功率因数对供电基础设施具有影响，政府机构已出台并逐步提高对功率因数(PF)和谐波失真的要求。IEC/EN61000-3-2的PF标准广泛适用于包括家用和商用应用在内的电子设备。

PFC可通过多种拓扑结构实现，例如降压、升压、反激、cuk和sepic(单端初级电感转换器)。升压拓扑结构因设计简单而广为使用，连续的输入电感电流使其非常适用于PFC电路。通过采用升压技术和多种控制策略，电源制造商近年在功率因数性能方面取得了重大改进。

HiperPFS的发展

2010年，Power Integrations推出了新的升压式PFC IC - HiperPFS™⁽¹⁾ IC，该产品系列采用了独特的控制策略，即恒定安秒导通时间控制和恒定伏秒关断时间控制。单芯片解决方案在同一个封装内集成了控制电路和功率MOSFET开关，可提供集成的无损耗电流检测和较低的外围元件数。2013年，Power Integrations推出了第二代HiperPFS-2 IC⁽²⁾。HiperPFS-2 IC提供更高的集成度，PFC升压二极管现在与非线性反馈放大器以及更先进的控制电路集成在一起。其结果是设计周期更快、BOM成本更低和PFC性能更高。

安秒与伏秒控制

HiperPFS-2 IC采用创新的控制方法，通过改变功率开关的导通时间和关断时间可使输入电流波形与输入电压波形的形状保持相似。这种控制可产生一个连续模式功率开关电流波形：在整个AC输入半周期内同时改变频率和峰值电流值，产生与输入电压成正比的输入电流。更确切的说，该控制技术可为关断时间设置恒定的伏秒数。对关断时间进行控制可使其满足：

(V_OUT - V_IN)x t_OFF = K₁       (1)

由于导通时间内的伏秒数必须等于关断时间的伏秒数，以维持PFC扼流圈内的磁通量平衡，因此对导通时间进行控制可使：

V_IN x t_ON = K₁       (2)

控制器还可以在功率MOSFET的每个导通周期内设置恒定的电荷值。每周期电荷随着负载变化在许多开关周期内逐渐发生变化，因此可认为它在半个AC输入半周期内大体上保持恒定。由于采用这种恒定电荷(安秒)控制，因此可得出以下关系式：

I_IN x t_ON = K₂ (3)

将t_ON从(2)代入(3)可得出：

I_IN = V_IN x K₂/K₁ (4)

公式(4)所表示的关系表明，通过控制恒定的安秒导通时间和恒定的伏秒关断时间，输入电流IIN与输入电压VIN可成正比，从而提供基本的功率因数校正要求。

变频连续导通模式(VF-CCM)

图1中的曲线图描绘了频率随输入线电压和输出负载的变化情况。当线电压升高时，PFC电感的电压差会减小，关断时间积分器需要更长的时间才能达到VOFF阈值。当输入电压降低时，关断时间积分器在较短时间内即可满足伏秒平衡。

开关导通时间随负载而变。当这负载增大时，PFC开关电流随之增大以满足负载要求。当开关电流减小时，导通时间积分器在较短时间内即可满足安秒平衡，开关频率随之升高。

VF-CCM控制的可变开关特性通过在转换器的整个负载范围内维持较低的平均开关频率并提升效率水平，可达到降低开关损耗的目的。

在轻载下，关断时间积分器的控制电压参考(V_OFF)由内部误差信号(V_E)进行修改，该电压与输出功率直接成正比。修改后的V_OFF斜率可进一步降低平均频率，从而降低开关损耗。在轻载条件下实现高效率，对传统的PFC CCM方法来说是一项挑战，因为固定的MOSFET开关频率会在每个周期造成固定的开关损耗，即使在轻载条件下也是如此。固定频率CCM控制方法如图2所示。

如果采用固定频率CCM设计，次谐波噪声会集中在一些固定频率上，为EMI噪声滤波带来挑战。在变频控制中，开关脉冲所传递的能量会分散在半AC线周期内的一系列频率中。通过这种方法，HiperPFS-2 IC通常能降低转换器的总X和Y电容要求以及升压扼流圈和EMI噪声抑制扼流圈的电感，从而降低整体系统尺寸和成本。

采用脉冲串模式以降低空载功耗

与能够将最短导通时间减小至零的最初HiperPFS IC不同，HiperPFS-2 IC的最短导通时间为500 ns，能够在空载下启动脉冲串模式工作。因此，当设计的升压转换器采用铁氧体升压扼流圈时，功率级空载功耗可降至0.5 W以下。

PFC设计的简化

图3所示为一个典型的基于HiperPFS-2 IC的PFC应用电路。VF-CCM工作方式已不再需要外部补偿网络，集成非线性放大器已产生了一个更为简单的使用HiperPFS-2器件的解决方案。

电压监测引脚(V)电流用于在内部检测输入线电压的峰值。这对线电压前馈功能具有驱动作用，以便在整个输入线电压范围(90 – 264 VAC)内维持恒定的电压反馈环路增益，从而改善线电压调整率和瞬态响应。

HiperPFS-2 IC提供两种功率工作模式，可通过连接到参考引脚(R)的电阻进行选择。这两种模式对应的是“完全”和“效率”功率限制。效率功率模式允许使用具有较低R_DS(ON)值的更大MOSFET管芯尺寸，以满足给定的输出功率要求。这样可使HiperPFS-2 IC提供应用所要求的高电流上升，而不会降低转换效率。

补偿引脚(C)用于环路补偿和电压反馈，它连接至主稳压反馈电阻分压网络。反馈引脚(FB)连接至同一个反馈电阻分压网络，用来提供快速的过压和欠压保护。HiperPFS-2器件中新增的内部非线性放大器已省去了在反馈电路中所采用的两个晶体管和两个电阻。

电源正常引脚(PG)是HiperPFS-2 IC的一个新特色。启动时，一旦反馈引脚电压升至设定输出电压的95%，PG漏极开路连接就会被拉低。一旦进入稳态工作，在发生电压故障、电压跌落或其他故障的情况下，PG信号会在某个电压阈值下变为高阻抗，该阈值由连接至电源正常阈值(PGT)引脚的电阻决定。

集成升压二极管所具备的优势

升压二极管阴极引脚(K)是内部Qspeed二极管的阴极连接点，而其阳极通常与内部功率MOSFET的漏极(D)连接。二极管的合并是HiperPFS-2器件的一项主要创新，具有十分显著的优势。该二极管特别从专用于HiperPFS-2 IC的标准Qspeed⁽³⁾系列二极管研制而成。它的V_f比标准Qspeed二极管低0.5 V，从而能够在浪涌期间降低功耗，并使二极管能够耐受非重复性的130 A峰值浪涌电流I_FSM。(50 0µs，T_C(D) = 25°C)。

由于二极管集成在封装内，包含MOSFET和二极管的关键环路的长度可以达到非常短的程度(见图4)。

有助于降低EMI的另一个关键因素是二极管的反向恢复特性⁽⁴⁾(见图5)。

超快速二极管通常采用在结中掺杂铂的方式制造而成。掺杂铂可使二极管在其上的电压进行反向时以极快的速度停止导通。遗憾的是，掺杂铂的副作用是二极管会非常突然地关断。这样容易产生振荡，进而产生EMI。相反的是，Qspeed二极管具有软恢复特性，所产生的振荡和EMI极低。

在图5中，关断迹线的负部分与ID = 0线之间的区域表示二极管在每个关断过渡期间的能耗。这等于二极管的反向恢复电荷(Q_rr)，从图5可清楚看出，Qspeed二极管的Q_rr远低于掺杂铂的超快速二极管。这有助于大幅降低开关损耗并提高效率。

集成二极管的寄生电容和电感降低后，还能降低功率MOSFET上的电压应力。图6对在两个等效的350 W开关电源中所产生的MOSFET电压进行了比较，其中一个电源使用的是HiperPFS IC，另一个使用的是HiperPFS-2 IC。

电源采用HiperPFS-2后，二极管的紧耦合可使V_DS降低21 V。

元件数量少

除了性能可从集成升压二极管中获益外，还可以显著节省成本。对二极管进行独立封装的成本和将二极管安装到散热片的手工操作都能省去，而且所需的板空间也有所减小。

图7所示为采用HiperPFS-2器件的350 W PFC板的设计范例。

图7中的电路板可在90 – 264 VAC的输入电压范围内提供380 VDC的输出。图8和图9分别说明了PFC设计的效率和输入功率因数特性。

使用HiperPFC-2器件的350 W PFC评估板可在115 VAC下实现PF > 0.99，在230 VAC下实现PF > 0.98。在10%到100%的负载范围内效率> 95%，其中包括了在桥式整流器和EMI滤波级中的损耗，在20%负载下PF > 0.9。

更简单、更快、更轻松

HiperPFS-2 IC为65 W至450 W的PFC提供了高度集成的平台。控制器、MOSFET和Qspeed二极管集成在同一个eSIP“冷垫式”封装内，并在源极连接了一个散热垫。集成的非线性放大器有助于进一步减少元件数。HiperPFS-2 IC所具有的多项增强功能，如新增的电源正常信号、轻载下功率因数(PF)的提高、用户可编程功率限制以及PIXLS设计软件，能使系统工程师更轻松地开发出完全符合国际法规的高效率开关电源。

参考文献：
　　1, PFS704-729EG HiperPFS™ Family High Power PFC Controller with Integrated High-Voltage MOSFET. Power Integrations Inc. www.powerint.com August 2012
　　2, PFS7323-7329 HiperPFS-2 Family High Power PFC Controller with Integrated High-Voltage MOSFET and Qspeed™ Diode. Power Integrations Inc. www.powerint.com January 2012
　　3, Qspeed Family of Advanced Diodes. http://www.powerint.com/en/products/qspeed-family
　　4, Application Note AN-301 Qspeed™ Family Reverse Recovery Charge, Current and Time. Power Integrations Inc. www.powerint.com January 2011