功率因数校正标准优化解决方案

全球性调整

不方便的是，IEC61000-3-2是面向欧洲的标准，它基于的是墙上插座处的230V单相和230/400V三相电源。因此，对于北美的120/240V主电压来说必须调整电流限制。

虽然IEC61000-3-2为在欧盟销售的电源规定了强制性标准，但北美地区也有自发性的标准。美国能源部的能源之星计算机规范就包含了针对台式电脑的"80 Plus"电源要求。(后来修改的80 Plus是一个美国/加拿大电力公司资助的折扣计划，用于补贴在低中范围和峰值输出时达到铭牌上额定功率的80%或更高效率的计算机电源额外付出的成本，这时可以达到至少0.9的功率因数。在参与计划的公用电力公司服务的领域中，电力公司为出售的每台台式电脑或服务器分别支付5美元或10美元)。

在2008年，80 Plus计划经过扩展开始认可更高效率的电源，最初使用奥林匹克奖章的颜色：铜、银和金来表示，后来还增加了铂(表2)。新的子类有助于扩大计划品牌效应，并有可能向领先的参与制造商提供更大的消费折扣。

在表2中，"冗余"指服务器系统制造商工作在230V交流电源下并使用多个电源向负载供电时的实际做法。一些系统可能拥有多达6个电源，因此如果某个电源发生故障，其它电源可以吸收故障电源分担的负载。

低于20%负载

对80 Plus的抱怨之一是它没有针对极低负载水平规定效率目标。这似乎是一件不值得做的事，但当有大量计算机工作时(如服务器群)时就不是这么回事了，因为其中的许多计算机在某一特定时刻可能处于待机或睡眠模式。具有讽刺意味的是，处理器的节能模式与尽可能节省交流电源功率之间似乎是矛盾的。

更重要的也许是以下两方面之间的冲突：一方面是像IEC61000-3-2那样规定对谐波失真各个分量的要求，另一方面是像高级80 Plus标准那样规定单个值，例如功率因数为0.9。

德州仪器(TI)的Isaac Cohen和Bing Lu在合著的白皮书"高功率因素和高效率：两者可以兼得(High Power Factor and High Efficiency – You Can Have Both)"中提供了对这些问题的有趣分析。在这篇论文的开头，作者就计算了IEC61000-3-2 D类规范规定的D类谐波水平所代表的功率因数。经过一些简化后，功率因数表达式被精简为：

由于0.726远小于0.9，因此只满足欧盟标准最低要求的电源将无法满足能源之星要求。

更让人感兴趣的是，TI作者表示，根据功率因数的基本定义：负载从电压或电流源吸收的平均功率(用瓦数表示)与出现在负载上的RMS电压与负载中流动的RMS电流乘积之比，理论上可以设计出一种简单的全波桥，并用方波驱动，通过"模拟具有大电感值的感应输入滤波器"，这种桥可以满足能源之星提出的0.9功率因数要求(详情请参考上述白皮书)。但是，对方波的傅里叶分析表明，所有11次以上谐波都超过了IEC61000-3-2的限制。

最终，正如白皮书标题提示的那样，问题变得很奇怪。"幸运的是，所有经常使用的有源PFC电路吸收的输入电流波型都能轻松符合两种标准。"作者指出。

与TI一样，安森美半导体(ON Semiconductor)已经解决了协调问题。在一次主题为"探讨外部电源(EPS)的能源之星要求(草案1版本2.0)"的在线交流中，安森美公司提示美国能源部，满足IEC61000-3-3的外部电源在百分之百额定输出功率下测量时一般都具有0.85或更高的功率因数。

"更明确地说，采用百分之百额定输出功率和230V交流线路时，带有源PFC前端的两级外部电源可以实现超过0.9的功率因数。"那篇论文解释道，"不过反过来却不成立，也就是说，一个外部电源可能达到0.9的功率因数，但仍然可能达不到特定的奇次谐波电流，因而无法满足IEC61000-3-2要求。"

与直接表述PFC要求而不是个别谐波有关的另一个问题与设计效率有关。单级PFC拓扑要满足建议的230V交流线上的功率因数规范，安森美表示，必需做一定的电路修改，这将导致少量的效率损失，并增加一定的成本。

"对于单级外部电源来说功率因数通常超过0.8。建议的功率因数要求将取消单相拓扑，这是创建铭牌输出功率低于150W的高效外部电源(如笔记本适配器)的最具成本效益的方式之一。"安森美公司表示。

请注意这里强调的是单级。它打开了TI和安森美提出的有趣设计问题的解决之门。为了理解这些问题，让我们先看看实际的PFC设计方法。

实现单位功率因数的途径

由于不连续的输入滤波器充电电流会在开关模式电源中形成低功率因数，解决方法是增大整流器的导通角。解决方案包括无源和有源PFC以及无源或有源滤波。

无源PFC在电源输入端有一个电感。无源PFC看起来很简单，但不实用，究其原因包括必要的电感、传导损耗以及与输出滤波电容的可能的谐振。

如上所述，之所以出现交流输入开关模式电源中的功率因数问题，是因为仅在部分交流电源电压波形超过大容量存储(滤波器)电容上的直流电压时，才能从电力线吸取电流。这种非对称电流汲取会在电力线上引入交流线路电压谐波。

基本的 PFC概念(图2)相当简单。控制电路开关MOSFET以便通过电感用填充间隙的方式汲取电流，否则间隙中就会出现谐波。

图2：AC-DC电源中的PFC包括利用控制电路开关一个MOSFET，以便通过电感用填充间隙的方式汲取电流，否则间隙中将出现谐波。

PFC控制器可以设计为工作在多种模式：临界导通模式(也称为转换模式)和连续导通模式(CCM)。区别在于MOSFET开关操作的速度，它决定了电感电流(和电感中的能量)是否接近零或保持较高水平。

术语"临界"和"转换"反映了每次电流接近0A，电感处于能量接近0点的事实。转换模式工作可以实现0.9的功率因数。但是，转换模式仅限于较低功率水平，一般在600W以下。由于只使用了相对很少的元件，因而非常经济。这类应用包括照明整流器和LED照明以及消费电子。

CCM的电路拓扑类似临界导通模式。但与较简单模式不同，它的纹波电流具有低得多的峰峰幅度，并且不会到0A。电感中总是有电流流过，不会在每个脉冲宽度调制(PWM)周期释放掉所有能量，因此是"连续的"。

在本例中，平均电流将产生更高质量的复合交流电流，因此有可能实现接近1的功率因数。这一点在较高功率电平时很重要，因为较大的电流会放大幅射和传导的电磁干扰(EMI)水平，使临界导通模式很难应付。

来源：21IC电子网