单周期控制技术化繁为简轻松实现高功率PFC设计
2006/2 Stephen Oliver
目前各国政府纷纷立法规范电器产品对市电品质的影响，同时也透过赋税方式强制能源效率的改善，使得功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)成为使用市电电器产品中转换器设计相当重要的部分. ..
目前各国政府纷纷立法规范电器产品对市电品质的影响，同时也透过赋税方式强制能源效率的改善，使得功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)成为使用市电电器产品中转换器设计相当重要的部分。
一个完美的功率因数校正，意即一单位的功率因数会让负载成为纯电阻性，可有效降低谐波失真并消除反射功率，因此可改善能源效率。在PFC控制的实现上，可以略分为两种型式，分别为非连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)与连续导通模式(Continuous Conduction Mode, CCM)。
传统上DCM可说是最容易实现的方式，但DCM运作会带来相对较高的尖峰电流，当应用在功率较高的转换器时，须搭配大型散热器与较大的电感来进行EMI滤波，让DCM在这类应用上缺乏诱因。
事实上，业界普遍认为，当功率达到100～200瓦时，DCM就变得不可行，有部分意见甚至认为DCM根本就并不适合75瓦以上的应用。但这却又是许多运算、消费性、家用电器与工业设备应用，包括高阶笔记型电脑、伺服器、家庭剧院、洗衣机、不断电系统(UPS)、小型工业马达与类似产品的耗电范围。 传统连续导通模式设计复杂
对CCM来说，尖峰电流通常较低，因此非常适合高达数千瓦的系统应用上，不过CCM的控制要求较为复杂，原因在于其运作是以类比乘法器与除法器的动作为基础，对整流后的交流线路电压进行取样，并产生一个正弦电流参考讯号，以便让输入电流能够跟随输入电压，再利用这个讯号控制主脉冲宽度调变(PWM)控制器的有效周期率，迫使转换器的输入电流跟随输入电压的正弦波形，因此能够提供接近一单位的功率因数并降低电流谐波。
值得注意的是，由于控制回路与乘法电路具有相当高的敏感性，因此任何加到输入端的失真或杂讯，都会对功率因数与输入电流的谐波失真带来不良的影响。
此外，电路板的布线安排也扮演相当重要的角色，另一方面，元件本身与最佳规格的选择也是一样。基本上要实现传统CCM设计的步骤如下： 1. 设计并选择电源电路零件
2. 设计并选择电流感测电阻
3. 设计限制尖峰电流的电阻式除法电路 4. 设计启动电路的电阻除法电路 5. 选择IAC电阻(乘法电路设定) 6. 设计Vff除法电路(乘法电路设定) 7. 选择Rbias偏压电阻(乘法电路设定) 8. 选择Rset设定电阻(乘法电路设定) 9. 选择Rmo电阻(乘法电路设定) 10. 设计电流误差放大器补偿 11. 设计电压误差放大器补偿 12. 设计输出电压回授除法电路 13. 设计两个串联极点前向滤波器
在实际应用上，通常须要经过多次的设计轮回，以便能够取得在整个可能线路与负载范围内的控制电路最佳效能。设计良好的CCM PFC线路需要扎实的电源工程技术才能达成。 单周期控制简化CCM PFC设计
事实上还有一个可以简化设计复杂度，同时实现CCM PFC的方法，即单周期控制(One Cycle Control, OCC)，其可免除正弦电流参考讯号的需求，借着由电压误差放大器所产生的调变电压，在任一切换周期中都是固定的假设，将这个讯号在单一周期中积分，来产生斜率正比于误差放大器输出电压的斜波讯号，接着利用PWM控制器，将这个斜波讯号与由电流与误差电压总合所产生的类比参考电压比较，并在斜波讯号到达参考位准时终止PWM讯号。透过这样的方式，控制器可以控管转换器的有效周期率，来达到输出电压的稳压与功率因数校正。事实上，对单一周期中调变电压不变的假设相当合理，因为电压回路的频宽相当小。
积分电路会在每个切换周期结束时重新设定，因此单周期控制的名称，基本上就是用来表示积分电路以及参考讯号的产生动作，是以单一切换周期为单位的方式运作。 单周期控制CCM PFC控制器，如国际整流器公司的IR1150，就是在单一元件中整合积分电路、PWM控制器以及相关电路，设计工程师只须简单地选择小部分外加零件的值，以确保能够符合目标功率的运作即可。由于采用这个方式可大幅简化设计程序并免除笨重的绕线元件，因此CCM可以应用到低耗电、低成本的75瓦或以上的系统。
只对PFC控制设计具备基本了解的工程师，使用IR1150，也可轻松实现CCM PFC控制电路的设计。此外，该公司也提供控制器设计软体，进一步让整个设计流程更加顺畅，并备有300W的功能展示电路板，来帮助设计工程师快速实现单周期CCM PFC的设计。 最佳化CCM PFC设计
透过电源电路零件、电流感测电阻的设计与选择，以及电压误差放大器的补偿，将可大幅简化CCM PFC的设计步骤，并予以最佳化(图2)，兹分述如下。 选择电流感测电阻
电流感测电阻决定和缓过电流点，也就是输入电流将被限制且输出电压开始下降的临界点，其中最差的情况，是在电流最高同时转换器升压因数较高时的低电源电压情况，因此电流感测电阻Rsense在设计上，必须以最低输入电源与最高负载情况下，转换器还能维持正常输出电压为考量条件。
为了符合此一条件，可以透过计算在最低输入电压时，设定和缓电流限制感测电阻两端的电压来决定，因此感测电阻的大小可以由最高尖峰电感电流计算： (详细公式请见当期内容)
因此，电阻上的功率消耗，可以最低输入电压下，最糟情况的均方根(RMS)的输入电流，来计算取得。不过，在此同时，当然也应注意一些相关的设计事项。 电压回路补偿
PFC转换器的要求是让电压回路的频宽低于电源线路频率的一半，以避免电压回路尝试消除输出上120Hz涟波所造成的线路电流失真。这也带来系统瞬间变化响应与输入电流失真间的取舍，其中电压回路的稳定较易达成，电压回路补偿的目的是限制由误差放大器注入到COMP接脚的第二谐波涟波量，并将开回路增益频宽限制在交流线路频率的一半以下。 切换频率的取舍
晶片的切换频率可以透过外部电阻在50～200kHz间选择，这同时也能让设计工程师针对不同应用，选择最佳的电源切换技术。基本上，这是切换速度、切换闸极电荷与切换电流间的权衡，对较高电流约50kHz的低频应用来说，IGBT提供最佳的价格电流比，而对达200kHz的更高切换频率， HEXFET功率MOSFET可搭配合适的超快速升压二极体，带来较佳结果。 降低零件数/电路板空间
除简化许多设计流程外，OCC与常见传统CCM PFC控制设计比较，不管是使用的零件或电路板空间上都有大幅的改善，以1千瓦的应用为例，采用IR1150的单周期控制所使用的零件数减少40%，电路板空间更缩小50%。以120W笔记型电脑电源为例，与低成本
PCM PFC设计比较时，OCC使用大约相同的零件数，设计的容易度维持不变，但在功率密度上却可带来10%的改善。