电网因为诸多原因而被设计成交流电，但几乎每台设备都需要直流电才能运行。因此，AC-DC 电源几乎无处不在，随着环保意识的加强和能源价格的上涨，此类电源的效率对于降低运行成本和合理利用能源至关重要。
简单地说，效率就是输入功率与输出功率之比。但是，必须要考虑输入功率因数 (PF)，即所有 AC 供电设备（包括电源）的有用（实际）功率与总（视在）功率之比。
对于纯阻性负载，PF 将为 1.00（“单位”），但随着视在功率的升高，无功负载会降低 PF，从而导致效率降低。小于 1 的 PF 由异相电压和电流引起，在开关型电源 (SMPS) 等不连续电子负载中常常会出现谐波含量高或电流波形失真的情况。
PF校正
考虑到低 PF 对效率的影响，当功率水平高于 70W 时，法规要求设计人员通过电路将 PF 校正到接近 1。通常，有源 PF 校正 (PFC) 采用升压转换器，将整流电源转换为高直流电平。然后使用脉宽调制 (PWM) 或其他技术对该电源轨进行调节。
此方法通常有效且易于部署。然而，如今有关效率的诸多要求，如具有挑战性的“80+ Titanium标准”，规定了整个宽工作功率范围内的效率，要求半负载时的峰值效率需达到 96%。这意味着线路整流和 PFC 级必须达到 98%，因为接下来的 PWM DC-DC 将会进一步损耗 2%。要做到这一点非常难，因为桥式整流器中的二极管也会出现损耗。
用同步整流器替换升压二极管会有所帮助，或者，也可以更换两个线性整流二极管，以进一步提高效率。这种拓扑结构被称为图腾柱 PFC (TPPFC)，理论上，使用理想的电感和开关，效率将会接近 100%。虽然硅 MOSFET 具有良好的性能，但宽禁带 (WBG) 器件的性能更接近“理想”水平。
图 1：简化的图腾柱 PFC 拓扑结构
处理损耗
随着设计人员不断增加频率以减小磁性组件的尺寸，开关器件的动态损耗也随之增加。由于硅 MOSFET 的这些损耗可能很大，设计人员正转而考虑使用 WBG 材料，其中包括碳化硅 (SiC)和氮化镓 (GaN)，特别是对于 TPPFC 应用。
临界导通模式 (CrM) 通常是功率水平高达几百瓦的 TPPFC 设计的首选方法，它可以平衡效率和 EMI 性能。在千瓦级设计中，连续导通模式 (CCM) 可进一步降低开关内的 RMS 电流，从而减少导通损耗。
图 2：典型 PFC 电路：传统升压（左）和无桥图腾柱（右）
即使是 CrM，在轻载下的效率也会下降近10%，不利于实现“80+ Titanium标准”。箝位（“折返”）最大频率迫使电路在轻载下进入 非连续导通模式(DCM)，从而显著降低峰值电流。
解决设计复杂性
由于需要同步驱动四个有源器件，并且需要检测电感的零电流交越以强制 CrM，因此 TPPFC 设计绝非易事。此外，电路必须能够切换进/出 DCM，同时保持一个高功率因数并生成一个 PWM 信号来调节输出，并且提供电路保护（例如过流和过压）。
要解决这些复杂难题，最显而易见的方法是部署微控制器 (MCU) 来执行控制算法。但这需要生成和调试代码，反而会增加设计的工作量和风险。
基于 CrM 的 TPPFC 无需编码
不过，使用完全集成的 TPPFC 控制方案就可以免去费时的编码工作。这些器件具有多种优势，包括高性能、更短的设计时间和更低的设计风险，因为它们不再需要部署 MCU 和相关代码。
安森美 (onsemi) 的NCP1680 混合信号 TPPFC 控制器就是这类器件的典范，它可以在具有恒定导通时间的 CrM 下工作，确保在整个宽负载范围内带来出色的效率。该集成器件在轻载下具有频率折返“谷底开关”功能，可通过在最低电压下进行开关操作来提高效率。数字电压控制环路经过内部补偿，可优化整个负载范围内的性能，同时能够确保设计过程仍简单。
图 3：NCP1680 混合信号 TPPFC 控制器
这款创新的 TPPFC 控制器采用新颖的低损耗方法进行电流检测和逐周期限流，无需外部霍尔效应传感器即可提供出色的保护，从而降低复杂性、尺寸和成本。
图 4：NCP1680 典型应用原理图
全套控制算法都嵌入在该 IC 中，为设计人员提供了低风险、经过试用和测试验证的方案，以高性价比实现高性能。
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Jon Harper
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