、為什么需要設(shè)置PFC電路

PFC(powerfactorcorrection)即為功率因數(shù)校正，它定義為有用功率和視在功率的比值。開關(guān)電源(SMPS)的功率因數(shù)校正，是一項非常重要的技術(shù)，近年來，隨著大屏幕平板電視在我國迅速發(fā)展和環(huán)保節(jié)能要求，功率因數(shù)校正電路應(yīng)用日益廣泛，已經(jīng)變成用電設(shè)備強制的環(huán)保認證。大家知道，在純電阻電路中，輸入電壓波形和電流的波形是保持一致的，功率因數(shù)為1，在非純電阻電路中，電壓波形和電流的波形之間存在相位差φ，在電壓和電流波形不存在畸變即無諧波失真的情況下，功率因數(shù)由兩者的相位差決定，等于COSφ。八十年代以后，隨著所謂的“離線開關(guān)電ofilineSMPS”（離線的意思是直接來自于線路整流的意思）的大量使用，市電經(jīng)過直接整流后接一個大的濾波電容以獲得初步的直流電壓，線路的輸入電流就為一個個尖銳的脈沖，這種尖的脈沖包含很多諧波分量。諧波會產(chǎn)生兩個嚴重后果：一方面會對線路產(chǎn)生很大的EMI(電磁干擾)，諧波電阻損耗引起的二次效應(yīng)甚至導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓波形在峰值附近產(chǎn)生下陷畸變．對電網(wǎng)造成很大的污染：另一方面雖然電流的基波和電壓是同桐的，但諧波分量會使電路的功率因素大大下降（約0.5~0.7）。功率因數(shù)PF=COSφ/根號(1+THD的平方)，其中φ為輸入電壓和基波分量的相位差．THD為諧波失真度。我們可以這樣理解，用傅里葉級數(shù)可以把脈沖電流分解為基波和各諧波分量，輸入電壓雖然和基波電流是同相位的，但和電流諧波分量的頻率是不同的，更談不上同相位，因而會導(dǎo)致功率因數(shù)嚴重F降．

二、PFC電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理：

上圖為未加入PFC電路的整流電路的原理方框圖，下圖為工作波形。由以上分析我們可以看出．未加入PFC電路的整流電路穩(wěn)定工作以后，只有在市電電壓的正負峰值附近二極管才導(dǎo)通，產(chǎn)生脈沖電流。造成離線電源功率因數(shù)降低的原因在于電流的導(dǎo)通角太小，在半個周期內(nèi)遠遠小于180°，提高功率因數(shù)就要設(shè)法使電流的波形在整個周期內(nèi)追蹤電壓的波形。

既然造成導(dǎo)通角太小的原因是整流器后面接人的大容量濾波電容，有源PFC電路基本思想就是在整流器和大容量濾波電容之間加入一級初級調(diào)整，把兩者進行隔離，此PFC初級調(diào)整變換器輸出一個基本穩(wěn)定的DC電壓，同時其輸入電流能按照和市電一樣的正弦規(guī)律變化。

下圖所示電路為加入PFC電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。通過比較，我們可以比較明確看出PFC電路在電源電路結(jié)構(gòu)中的位置和作用。盡管PFC電路的具體形式繁多，不盡相同，工作模式也不一樣（CCM電流連續(xù)型、DCM不連續(xù)型、CRM臨界型），但基本的結(jié)構(gòu)大同小異，大部分都是采用升壓的boost拓撲結(jié)構(gòu)，因為這種電路形式優(yōu)點比較多。這也是一種典型的升壓開關(guān)電路，基本的思想就是前面說的把整流電路和大濾波電容分割，通過控制PFC開關(guān)管的導(dǎo)通使輸入電流能跟蹤輸入電壓的變化。工作原理并不復(fù)雜，徹底搞清楚這個基本電路的原理，就能觸類旁通，給獨立分析電路打下基礎(chǔ)。在這個電路中．PFC電感L在MOS開關(guān)管0導(dǎo)通時儲存能量，在開關(guān)管截止時．電感L上感應(yīng)出右正左負的電壓，將導(dǎo)通時儲存的能量通過升壓二極管Dl對大的濾波電容充電，輸出能量，只不過其輸入的電壓是沒有經(jīng)過濾波的脈動電壓。值得注意的是，平板電視大部分PFC電感L上大都并聯(lián)著一個二極管D2，該二極管D2具有保護作用。

大家知道：PFC電路后面大的儲能濾波電容C和PFC電感L是串聯(lián)的，由于電感L上的電流不能突變，就對大的濾波電容C的浪涌電流起了限制作用。

并聯(lián)保護分流二極管D2．由于沒有電感的限制作用，對濾波電容的沖擊反而會更大，但它可以保護升壓二圾管，特別是PFC開關(guān)管。Dl是快速恢復(fù)二極管（由于開關(guān)管是在電感電流不為零的時候關(guān)斷的，需要承受更大的應(yīng)力，要求二極管有極低甚至為零的反向恢復(fù)電流），承受浪涌電流的能力較弱。減小反向恢復(fù)電流和提高浪涌電壓承載力是相互牽制的，而D2所采用的是普通的整流二極管，承受浪涌電流的能力很強，如1N5407的額定電流3A．浪涌電流可達200A。

該保護二極管D2表面上降低的是對PFC電感和升壓二極管的浪涌沖擊，但實際上還有一個重要的作用：保護PFC開關(guān)管。

在開機的瞬間，濾波電容的電壓尚未建立，由于要對大電容充電．通過PFC電感的電流相對比較大。如果在電源開關(guān)接通的瞬間是在正弦波的最大值時，對電容充電的過程中PFC電感L有可能會出現(xiàn)磁飽和的情況，此時PFC電路工作就麻煩了，在磁飽和的情況下，流過PFC開關(guān)管的電流就會失去限制，燒壞開關(guān)管。為防止悲劇發(fā)生，一種方法是對PFC電路工作的工作時序加以控制，即當對大電容的充電完成以后，再啟動PFC電路：另一種比較簡單的辦法就是在PFC線圈到升壓二極管上并聯(lián)一只二極管旁路。啟動的瞬間，給大電容的充電提供另一個支路，防止大電流流過PFC線圈造成飽和，過流損壞開關(guān)管，保護開關(guān)管，同時該保護二極管D2也分流了升壓二極管D1上的電流，保護了升壓二極管。另外，D2的加入使得對大電容充電過程加快．其上的電壓及時建立，也能使PFC電路的電壓反饋環(huán)路及時工作，減小開機時PFC開關(guān)管的導(dǎo)通時間．使PFC電路盡快正常工作。‘所以，綜上所述，以上電路中二極管D2的作用是在開機瞬間或負載短路、PFC輸出電壓低于輸入電壓的非正常狀況下給電容提供充電路徑，防止PFC電感磁飽和對PFCMOS管造成的危險，同時也減輕了PFC電感和升壓二極管的負擔，起到保護作用。在開機正常工作以后，由于D2右面為B+PFC輸出電壓，電壓比左面高，D2呈反偏截止狀態(tài)，對電路的工作沒有影響，D2可選用可承受較大浪涌電流的普通大電流的整流二極管。在有些電源中，PFC后面的電容容量不大，也有的沒有接入保護二極管D2，但如果PFC后面是使用大容量的濾波電容，此二極管是不能減少的，對電路的安全性有著重要的意義。

1、PFC電路的分類

PFC電路按照輸入電流的工作情況分為三種模式：CCM電流連續(xù)型，DCM電流不連續(xù)性和介于兩者之間的是TCM臨界性。

如下圖所示為連續(xù)模式的一種類型：平均電流型。平均連續(xù)性PFC變換器開關(guān)頻率固定，周期T不變，占空比隨著輸入電壓的變化而變化，通過PFC電感器和開關(guān)MOSEFT的電流在AC線路電壓的半個周期內(nèi)任何時刻都不為零，而是時刻跟隨電壓的變化軌跡，其平均電流IAC呈正弦波，且保持和AC輸入電壓同相位。

根據(jù)控制方式不同，除了平均電流型以外，CCM模式還分為峰值電流控制和滯后電流控制，共同的特點就是電流連續(xù)，不存在斷點。一般CCM的PFC變換器可以用于250瓦以上的開關(guān)電源，工作在CCM模式的PFC變換器有很低的諧波失真度．THD可達到5%以下。由于其電感電流不會降到零，電感電壓變化較小，諧波IIR熱損耗較小，有較小的電磁干擾，由于電流的變化幅度小，相比也有較小的磁芯損耗。同DCM方式相比．CCM模式電路相對復(fù)雜，而且由于MOSEFT導(dǎo)通不在電感電流為零的時候，二極管的反向恢復(fù)電流會產(chǎn)生很大的開關(guān)應(yīng)力，損耗不容忽視，因此需要使用價格較高的快速反向恢復(fù)二極管以減小損耗。

2．DCM(discontinuouscurrentmode)電流不連續(xù)性

如下圖所示為電流不連續(xù)性PFC電路的模式．DCM的特點是利用兩個開關(guān)周期之間的電感電流存在死區(qū)。和連續(xù)性模式相比，電路設(shè)計更容易實現(xiàn)，由于其導(dǎo)通的時候電流為零，所以不必考慮升壓二極管的反向恢復(fù)電流，對二極管的要求比較低。顯而易見，在同樣的平均輸入電流下，DCM需要較高的峰值電感電流，因而需要選用大的功率器件。由于其電流變化幅度較大，峰值較高，電感有較大的磁芯．I2R熱損耗較大。諧波失真度THD也比連續(xù)型模式的要大，所以電流不連續(xù)模式一般只用于相對較小功率的開關(guān)電源。和后面提到的CRM臨模式相比，其主要優(yōu)點是可以固定開關(guān)頻率以限制最大開關(guān)頻率．使前端EMI濾波器設(shè)計簡單化。

3．CRM臨界模式(critICalmode)

下圖為不連續(xù)模式的極端情況—一臨界模式CRM，輸入電流處在連續(xù)和不連續(xù)的臨界點，也稱為BCM(boundarycurrentmode)邊界型。它兼有CCM和DCM的特點，實際應(yīng)用較為廣泛。和DCM-樣．CRM模式需要給控制電路提供一個電流過零點的反饋檢測信息，但CRM模式頻率可變，電流幾乎沒有斷電。

邊界模式CRM中，電流降為零時MOSFET開始導(dǎo)通，而在電流達到設(shè)定的參考值時．MOSFET關(guān)斷．輸入電流跟隨輸入電壓變化。CRM的特點是開關(guān)頻率變化，且在正弦電壓過零時頻率最高，在正弦電壓峰值處的開關(guān)頻率最低，一旦升壓電感器中的電流下降為零，新的開關(guān)周期便接著開始而不存在電流死區(qū)。

CRM的缺點是在正弦弦過零附近的開關(guān)頻率相當高，頻率變化使EMI比較嚴重，需要有較復(fù)雜的輸入濾波器設(shè)計。和DCM模式一樣，由于開關(guān)管導(dǎo)通時電流為零，因此CRM可降低開關(guān)管導(dǎo)通損耗，可以用廉價的升壓二極管。和DCM模式相比較而言，CRM峰值電感電流被限制在平均電流的2倍的數(shù)值上，低于DCM的峰值電感電流，從而可以選用電流容量較小的功率MOSFET，用較小尺寸升壓電感器。

CRM模式應(yīng)用廣泛，工作在CRM模式的芯片比較多，諸如：飛兆(Faimhiid)半導(dǎo)體公司的KA7525、KA7526、KA7527，意法半導(dǎo)體(ST)公司的L6560、L6561、L6562、L6563，德州儀器(TI)公司的UC3852、UCC28050、UCC38050，德國西門子(SimensAG)公司的sTR4862、STR4863，三肯公司(Sanken)的STR-E1555、STR-E1565等等。值得注意的是有一些芯片，如安森美半導(dǎo)體（ONSemicollductor）的NCP7601可在CRM和DCM下工作，具有兩種模式的優(yōu)點。它在AC線路輸入電壓過零附近采用DCM控制方案，此時由于對開關(guān)頻率進行了限制，因此容易解決EMI問題。

而在正弦波峰值附近，為避免較大的峰值電感電流，電路則采用CRM控制方法，這樣可以使用參數(shù)較小的電感、MOSFET和升壓二極管，不僅降低了成本，而且提高了系統(tǒng)的可靠性。大家知道低功率的開關(guān)電源(低于150W)，常常采用CRM或DCM方案。CRM能最優(yōu)化滿載效率，而DCM在減少EMI方面有優(yōu)勢，NCP1601正是集兩種方案的優(yōu)點于一身。NCP1601在DCM和CRM下工作并不會使功率因數(shù)下降，因而是一種創(chuàng)新的控制方案。其電流波形如下圖所示。

三、PFC電路維修特點

盡管PFC各種電源管理芯片的種類很多．電路特點也不盡相同，但這些復(fù)雜的控制過程都集成在芯片內(nèi)部，外圍的電路也越來越簡單，使維修更容易。

從本質(zhì)上來講，PFc開關(guān)電源和PWM開關(guān)電源是兩個獨立的電源，但完全可以借鑒大家熟悉的開關(guān)電源的維修經(jīng)驗，從維修的大的思路上可以作為兩個獨立的開關(guān)電源來維修。重點考慮的還是開關(guān)管、升壓二極管、芯片供電電路、整流濾波電容和幾個取樣電路的元件。要明確的是PFc開關(guān)電源的輸入是市電整流的脈動電壓，負載是PWM開關(guān)電源的輸入（具有負阻特性，電壓升高，電流減小，電壓降低，電流增大），PWM開關(guān)電源的輸出是+B負載，所以，要分段進行考慮。檢修PFC電源，也可斷開PWM電源接假負載縮小范圍，按常規(guī)思路維修。由于PFc輸出電壓較高（380V左右），用兩盞普通市電燈泡串聯(lián)做假負載，后級PWM電源的負載，可用12V（30W一60W）的直流燈泡，可根據(jù)功率和電壓要求串、并聯(lián)使用。