功率因数校正(PFC)可减少电源待机功耗并改善总体电源效率，但是额外的电路会增加设备在轻负载或无负载状态下的功耗。本文讨论的电路结构可管理由PFC引入的功耗，从而提高总体电源性能。
最近几年，全球相关管理机构的工作重点放在了减少电源的能量消耗上。第一阶段旨在减少电源的待机功耗，这项工作已在进行当中。目前，各国政府相关部门正在展开下一阶段工作，目标是改善电源激活模式下的效率。此外，功率因数校正仍然是满足上述效率要求所面临的一个严峻挑战。
适配器功率提高
五年以前，笔记本电脑适配器提供的平均功率大约为40W，当时处理器的速度仍不到1GHz，包括外围设备在内的总功耗可通过传统的电压转换方法来管理。如今，由于高速处理器的问世，对离线电源的需求增长很快，现在能提供高达150W功率的电源适配器已经很普遍，既可用于大屏幕笔记本电脑，也可用于LCD TV等。
输出功率提高自然会给市电插座带来更重的负载。当几个大功率适配器使用同一个电源插座或分布式电源线架构时(例如在办公室中)，这个问题会变得更加严重。在这个时候使用PFC前端电路不仅能减少电源插座的负担，而且还能确保得到洁净的正弦电流，从而减少对其它连接设备的干扰。然而，额外的前端电路会增加设备在轻负载或无负载状态下的功耗，因此需要新的技术来管理由PFC前端电路引入的额外功耗。在讨论解决方案以前，先简要介绍一下“功率因数”的确切含义。
功率因数校正
“功率因数 (PF)”可用来描述一个连接电源的特定负载的表现与真实电阻的相似程度。定义PF为有效功率(单位：W)与视在功率(单位：伏安或者VA)之比，即：PF＝W/VA。
无论两个被测信号(电流和电压)为何种波形，该定义都是正确的。请注意，PF＝cos j是被测信号为正弦波的特殊情况。如果此时将一个“理想”电容或电感跨接在电源两端，则PF＝0(j＝90°)；相反，如果跨接一个纯电阻，则PF＝1。
图1以电视机为例，通过测量交流电源线上输入电压的均方根(RMS)值以及设备从电源线上拽取的电流，描述了如何简单地计算一台设备的视在功率，当然这里使用了可测量非正弦(特别是高峰值电平)信号的真正RMS安培/伏特表。
图1：测量输入电压和电流的RMS值并相乘，可得到视在功率(单位：VA)
完成这些测量后，只需简单地将它们相乘便得到视在功率。测量有效功率需要使用功率表或者示波器，若使用示波器则需将示波器上电压与电流迹线的读数相乘。计算由瞬时电流和电压的乘积(瞬时功率，单位：瓦特)与时间组成的面积(能量，单位：焦耳），再将这个结果除以电源周期，便得到以瓦特(W)为单位的平均功率。
在欧洲，除了极限值可低至25W的照明设备外，功率大于75W的电源必须进行功率因数校正。
全波整流的功率因数
开关模式电源(SMPS)从经过整流的DC电源线上获得平均能量。术语“整流”表示电源仅在电压峰值高于前面提到的DC值时才给大电容充电。因此，由于存在短暂的电源阻抗，大电容“充电”所需的时间近乎是即时，输入电流由带有很高谐波分量的循环短脉冲组成。图2a描述的是任何一种SMPS所具有的典型整流电路。
图2a：典型的SMPS输入级 图2b：典型的电流波形
在电源上串联一个电阻是为了避免首次将SMPS插入电源插座时(Cbulk放电)产生过大的浪涌电流。这个电阻不仅会带来额外成本，而且还会通过消耗一些功率而使整体效率下降。图2b是相关波形，可看出它并非理想的正弦波。
如果按上述方法测量PF，将得到PF=0.6，它是这种配置的典型值。
从电源插座上获得更多的功率
从上述定义可看出，从电源插座获取的视在功率大小取决于功率因数。在欧洲，标准壁式电源插座可连续提供高达15A RMS的电流而没有任何问题。假设要推出一种可在230V 交流市电上工作的250W电源(例如一台CRT监视器)，则对于如图2a所示的电源级，PF=0.6将是一个合理的值。如果计算该系统所需的RMS电流，可得到Iin=250/0.6/230=1.8A RMS或者452VA的视在输入功率，这几乎是前面数字的两倍。因此，市电插座只能供应8个这样的电源以便使总电流在15A以内。如果继续推算下去还会发现，由于市电电平精度为±15%，所以最低市电电压会使连接在壁式电源插座上的电源系统不能超过7个。
这个简要的计算表明，较低的PF值将限制连接在标准市电插座上的设备数量。如果想将更多的系统连接在同一电源插座上，则需安装更粗大的电源分配线并将插座更换成容量更大的插座，或者增加一个PFC前端级。PFC可校正PF并使其接近1。因此，在前面的示例中，RMS输入电流降至1.3A，这时可放心地将多达11个电源连接在同一市电插座上。在一些市电电压较低或波动较大的地区，这个问题显得尤为重要。
PFC级和待机功耗
校正电源功率因数的方法有好几种，最流行的电路结构便是如图3所示的BOOST级。在这种配置中，有一个环路负责监测输入电压(正弦波形)，并主动使输入电流跟随电压波形。在PF几乎等于1的预转换配置中则没有该环路，而是提供经过整流的直流输出电压，这个电压将进一步为SMPS(例如笔记本电脑充电器)供电。
图3：采用BOOST拓扑结构的PFC电路
正如前面所讨论的，电路积极地控制电源开关以便使输入电流接近正弦波。然而，当连接负载被移开或直接进入待机模式时会发生什么情况呢？此时PFC会尽量减少活动，但在给定所选的电路拓扑情况下，它仍会从电源拽取一定电流。对于一个150W的PFC级，其功耗可达200mW@230VAC。在这种情况下，很难将150W适配器的待机功耗降至300mW以下，甚至很难将90W系统的待机功耗降至100mW以下。
另一个挑战与轻负载时的效率有关。在某些应用中，当负载下降到400mW时，转换器消耗的功率不能超过1W，因此保留PFC级使这种设计目标很难实现，这也是轻负载状态下需断开PFC级的另一个原因。
断开PFC级
既然电源的脉宽调制(PWM)控制器知道如何在转换器负载减小时降低输出功率，为什么不产生一个用于证明进入待机模式并将PFC控制器断开的信号呢？这正是所提出技术所要解决的一个问题：一个低阻抗信号经由PWM控制器Vcc发送给PFC控制电路，在常规负载状态下为其供电；当负载减少时，PWM会检测待机模式并关掉PFC控制器。图4显示了该架构在基于PFC的电源中是如何工作的。
图4：通过发送或中断Vcc管脚的信号，实现在待机模式下断开PFC级
当GTS引脚有效时，开关SW断开且不再给PFC控制器供电，使其功耗减至最低。相反，如果输出上有负载，则内部SW开关会接通并启动PFC。
这种配置已安装在一块90W的演示板上，并对它的待机功耗进行监视。图5a描述了当电源处于90-250VAC之间且无输出(无负载状态)时输入功率的变化。图5b则描述了当输出为400mW(轻负载状态)时电路板的输入功率性能。
图5a：市电上无负载状态时的输入功率。图5b：市电上负载为400mW时的输入功率。
可看出，待机功耗在无负载状态下(160mW@230VAC)低于200mW，而当输出功率为400mW@230VAC时该电路仍能提供50%的效率。
本文小结
对AC/DC适配器或电源的新需求意味着输出功率会不断提高。更高的功率要求意味着如果需要保持结构紧凑，必须采用功率因数校正电路。由于有了本文讨论的创新架构，新推出的芯片解决方案可增加额外的PFC级， 而不会影响总体电源待机性能。实践证明，用这种新电路构建的电路板能通过输出功率为400mW、总效率超过40%的最低功率测试。
作者：Christophe BASSO
应用经理
Email: christophe.basso@onsemi.com
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