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技術(shù)專(zhuān)題
電源系統的PFC電路設計和布局
就像我們希望的那樣，輸入到PCB的電源并不總是干凈的DC或正弦信號。來(lái)自整流器的直流電將在輸出電容器上產(chǎn)生一些紋波，交流電信號可能包含噪聲或不完美的正弦波。有一些方法可以糾正這些問(wèn)題，方法是選擇正確的濾波電路，或者對輸入波進(jìn)行整形以產(chǎn)生向系統負載輸出的最大功率。
如果您使用的是交流電源系統，則可能需要功率因數校正（PFC）來(lái)減少電源上的電流/功率消耗或增加負載的可用功率。雖然PFC電路可用作IC，但它們不能滿(mǎn)足更高電壓/更高電流系統的需求。您需要在PCB上擁有自己的PFC電路設計和布局，以將功率因數提高到接近1。這是設計和模擬自己的PFC電路的方法，我們將為您提供有關(guān)PFC電路的一些布局提示。
什么是功率因數校正？
電源的功率因數是實(shí)際有功功率與視在功率的比值（RMS伏特和安培），范圍為0到1。連接到AC電源的電源電路中的典型開(kāi)關(guān)調節器一旦輸入電壓接近峰值，使用整流器的整流器將以小脈沖形式吸收電流。從輸入線(xiàn)汲取的電流與正弦電壓波形的偏差越大，功率因數就越小。功率因數基本上是功率效率的另一個(gè)指標。
例如，假設調節器的效率為96％；如果整個(gè)電源的功率因數為60％，則實(shí)際效率為96％x 60％= 57.6％。使用PFC電路設計的目的是使功率因數盡可能接近1。當功率因數接近于1時(shí)，實(shí)際消耗功率將接近于使用理想RMS輸入電壓和電流計算出的視在功率。
如果您打算在歐洲銷(xiāo)售新產(chǎn)品，則需要確保在電源中使用PFC。最重要的法規是EN61000-3-2，該法規適用于輸入功率至少為75 W且在服務(wù)入口處可上拉至16 A的電源系統。該法規還對總諧波失真（THD）設置了限制，直到在穩壓器輸入端測量到的第39次諧波。這說(shuō)明了PFC電路的另一個(gè)好處。功率因數較大的電源在直流穩壓器輸入端的THD接近于零。
PFC電路設計與拓撲
PFC轉換器可以采用升壓或降壓拓撲結構實(shí)現。還有降壓-升壓拓撲結構，盡管它不如通常需要升高或降低輸入電壓并將其穩定在恒定水平上那樣流行。降壓和升壓兩個(gè)版本如下所示。如果這些電路圖符合您期望的標準降壓或升壓DC-DC轉換器，那么您是正確的！總體電路圖是相同的，但是這些電路的組件選擇會(huì )影響該電路提供的功率因數增加。
具有升壓和降壓拓撲結構的PFC電路設計。
那么，PFC電路與典型的開(kāi)關(guān)穩壓器有何不同？PFC電路設計中的關(guān)鍵點(diǎn)是選擇正確的運行模式，這涉及在該電路中選擇正確的電感器。電感將確定在MOSFET導通時(shí)，隨著(zhù)輸入電壓的升高，流經(jīng)電感的電流增加的速度。MOSFET關(guān)斷后，電感器提供反電動(dòng)勢，然后將更多電流引向負載。
電感紋波波形由電感的大小決定，就像典型的開(kāi)關(guān)穩壓器一樣。當電感器較小時(shí)，紋波將較大。通過(guò)將PWM或PFM脈沖施加到MOSFET來(lái)維持對波形的控制。下面顯示的三種PFC電路模式由電感器大小和應用于MOSFET的調制類(lèi)型決定。下表總結了每種模式下的調制和電流特性。
PFC電路模式。藍色：電感電流；紅色：平均電流。
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模式 |
調制 |
當前特性 |
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CCM |
脈寬調制 |
平均電流接近于具有低紋波的理想正弦電流，請使用高速SiC肖特基二極管來(lái)提高效率。最適合最高功率輸出。 |
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鉻 |
PFM |
與理想電流相比，平均電流更低，紋波更高，開(kāi)關(guān)損耗更低，因為MOSFET的循環(huán)更接近于真正的關(guān)斷狀態(tài)。最適合中等功率輸出。 |
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DCM |
PWM或PFM |
與理想電流相比，平均電流最低，紋波最大，開(kāi)關(guān)損耗最小，因為MOSFET可以完全關(guān)閉。最適合低功率輸出，就EMI而言最差。 |
為了將PWM或PFM正確地提供給開(kāi)關(guān)MOSFET，您需要對PWM / PFM控制器實(shí)施反饋環(huán)路。即使在高電壓下，也有一些專(zhuān)用IC可以用于此目的。
PFC布局：像大功率開(kāi)關(guān)穩壓器一樣對待
在使用任何開(kāi)關(guān)轉換器時(shí)，要記住的最重要的一點(diǎn)是考慮隔離開(kāi)關(guān)噪聲。來(lái)自嘈雜的開(kāi)關(guān)調節器或PFC電路的任何噪聲，特別是在大電流下，都會(huì )產(chǎn)生強磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)會(huì )在下游電路中感應出噪聲信號。請注意，電流隔離可以消除傳導的EMI，但不能消除輻射的EMI，因此您需要使用用于低級電路的隔離結構（例如通孔圍欄或屏蔽）來(lái)防止任何感應噪聲。對于高壓電源和低功耗電子產(chǎn)品中的穩壓器IC而言，這一直是電源設計中的眾所周知的問(wèn)題。
其他要考慮的因素是設計PWM信號或PFM信號，堆棧設計以及其他降低輻射EMI的技術(shù)。在高壓下工作時(shí)，還需要確保在PCB布局中的導電元件之間設置適當的間距，以防止ESD。這些間隙在IPC-2221標準中定義。查看這些文章以了解更多信息：
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