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功率技術/新能源  

滿足更嚴格電源效率要求的新電路結構

上網時間: 2005年06月23日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:power factor correction  PFC  功率因數校正  power factor  PF 

功率因數校正(PFC)可減少電源待機功耗並改善總體電源效率,但是額外的電路會增加設備在輕負載或無負載狀態下的功耗。本文討論的電路結構可管理由PFC導入的功耗,進而提高總體電源性能。

圖1:測量輸入電壓和電流的RMS值並相乘,
可得到視在功率(單位:VA)。

最近幾年,全球相關管理機構的工作重點放在了減少電源的能量消耗上。第一階段旨在減少電源的待機功耗,這項工作已在進行當中。目前,各國政府相關部門正在展開下一階段工作,目標是改善電源啟動模式下的效率。此外,功率因數校正仍然是滿足上述效率要求所面臨的一個嚴峻挑戰。

配接器功率提高

五年以前,筆記型電腦配接器提供的平均功率大約為40W,當時處理器的速度仍不到1GHz,包括週邊設備在內的總功耗可透過傳統的電壓轉換方法來管理。如今,由於高速處理器的問世,對離線電源的需求成長很快,現在能提供高達150W功率的電源配接器已經很普遍,既可用於大螢幕筆記型電腦,也可用於LCD TV等。

輸出功率提高自然會給市電插座帶來更重的負載。當幾個大功率配接器使用同一個電源插座或分佈式電源線架構時(例如在辦公室中),這個問題會變得更加嚴重。在這個時候使用PFC前端電路不僅能減少電源插座的負擔,而且還能確保得到潔淨的正弦電流,進而減少對其它連接設備的干擾。然而,額外的前端電路會增加設備在輕負載或無負載狀態下的功耗,因此需要新的技術來管理由PFC前端電路導入的額外功耗。在討論解決方案以前,先簡要介紹一下‘功率因數’的確切含義。

功率因數校正

‘功率因數

圖2a:典型的SMPS輸入級。

圖2b:典型的電流波形。

(PF)’可用來描述一個連接電源的特定負載的表現與真實電阻的相似程度。定義PF為有效功率(單位:W)與視在功率(apparent power,單位為伏安或者VA)之比,即:PF=W/VA。

無論兩個被測訊號(電流和電壓)為何種波形,該定義都是正確的。請注意,PF=cos j是被測訊號為正弦波的特殊情況。如果此時將一個‘理想’電容或電感跨接在電源兩端,則PF=0(j=90°);相反,如果跨接一個純電阻,則PF=1。

圖1以電視機為例,透過測量交流電源線上輸入電壓的均方根(RMS)值以及設備從電源線上擷取的電流,描述了如何簡單地計算一台設備的視在功率,當然這?使用了可測量非正弦(特別是高峰值電平)訊號的真正RMS安培/伏特表。

完成這些測量後,只需簡單地將它們相乘便得到視在功率。測量有效功率需要使用功率表或者示波器,若使用示波器則需將示波器上電壓與電流跡線的讀數相乘。計算由瞬時電流和電壓的乘積(瞬時功率,單位:瓦特)與時間組成的面積(能量,單位:焦耳),再將這個結果除以電源周期,便得到以瓦特(W)為單位的平均功率。

在歐洲,除了極限值可低至25W的照明設備外,功率大於75W的電源必須進行功率因數校正。

全波整流的功率因數

開關模式電源(SMPS)從經過整流的DC電源線上獲得平均能量。術語‘整流’表示電源僅在電壓峰值高於前面提到的DC值時才給大電容充電。因此,由於存在短暫的電源阻抗,大電容‘充電’所需的時間近乎是即時,輸入電流由帶有很高諧波分量的循環短脈衝組成。圖2a描述的是任何一種SMPS所具有的典型整流電路。

圖3採用BOOST拓樸結構的PFC電路。

在電源上串聯一個電阻是為了避免首次將SMPS插入電源插座時(Cbulk放電)產生過大的突波電流。這個電阻不僅會帶來額外成本,而且還會透過消耗一些功率而使整體效率下降。圖2b是相關波形,可看出它並非理想的正弦波。

如果按上述方法測量PF,將得到PF=0.6,它是這種配置的典型值。

從電源插座上獲得更多的功率

從上述定義可看出,從電源插座獲取的視在功率大小取決於功率因數。在歐洲,標準壁式電源插座可連續提供高達15A RMS的電流而沒有任何問題。假設要推出一種可在230V交流市電上工作的250W電源(例如一台CRT監視器),則對於如圖2a所示的電源級,PF=0.6將是一個合理的值。如果計算該系統所需的RMS電流,可得到Iin=250/0.6/230=1.8A RMS或者452VA的視在輸入功率,這幾乎是前面數位的兩倍。因此,市電插座只能供應8個這樣的電源以便使總電流在15A以內。如果繼續推算下去還會發現,由於市電電平精度為±15%,所以最低市電電壓會使連接在壁式電源插座上的電源系統不能超過7個。

這個簡要的計算表明,較低的PF值將限制連接在標準市電插座上的設備數量。如果想將更多的系統連接在同一電源插座上,則需黏著更粗大的電源分配線並將插座更換成容量更大的插座,或者增加一個PFC前端級。PFC可校正PF並使其接近1。因此,在前面的示例中,RMS輸入電流降至1.3A,這時可放心地將多達11個電源連接在同一市電插座上。在一些市電電壓較低或波動較大的地區,這個問題顯得尤為重要。

PFC級和待機功耗

圖4:透過發送或中斷Vcc接腳的訊號,
實現在待機模式下斷開PFC級。

校正電源功率因數的方法有好幾種,最流行的電路結構便是如圖3所示的BOOST級。在這種配置中,有一個環路負責監測輸入電壓(正弦波形),並主動使輸入電流跟隨電壓波形。在PF幾乎等於1的預轉換配置中則沒有該環路,而是提供經過整流的直流輸出電壓,這個電壓將進一步為SMPS(例如筆記型電腦充電器)供電。

正如前面所討論的,電路積極地控制電源開關以便使輸入電流接近正弦波。然而,當連接負載被移開或直接進入待機模式時會產生什麼情況呢?此時PFC會盡量減少活動,但在給定所選的電路拓樸情況下,它仍會從電源拽取一定電流。對於一個150W的PFC級,其功耗可達200mW@230VAC。在這種情況下,很難將150W配接器的待機功耗降至300mW以下,甚至很難將90W系統的待機功耗降至100mW以下。

另一個挑戰與輕負載時的效率有關。在某些應用中,當負載下降到400mW時,轉換器消耗的功率不能超過1W,因此保留PFC級使這種設計目標很難實現,這也是輕負載狀態下需斷開PFC級的另一個原因。

斷開PFC級

既然電源的脈寬調變(PWM)控制器知道如何在轉換器負載減小時降低輸出功率,為什麼不產生一個用於證明進入待機模式並將PFC控制器斷開的訊號呢?這正是所提出技術所要解決的一個問題:一個低阻抗訊號經由PWM控制器Vcc發送給PFC控制電路,在常規負載狀態下為其供電;當負載減少時,PWM會檢測待機模式並關掉PFC控制器。圖4顯示了該架構在基於PFC的電源中是如何工作的。

圖5a:市電上無負載狀態時的輸入功率。

圖5b:市電上負載為400mW時的輸入功率。

當GTS接腳有效時,開關SW斷開且不再給PFC控制器供電,使其功耗減至最低。相反,如果輸出上有負載,則內部SW開關會接通並啟動PFC。

這種配置已黏著在一塊90W的展示板上,並對它的待機功耗進行監視。圖5a描述了當電源處於90-250VAC之間且無輸出(無負載狀態)時輸入功率的變化。圖5b則描述了當輸出為400mW(輕負載狀態)時電路板的輸入功率性能。

可看出,待機功耗在無負載狀態下(160mW@230VAC)低於200mW,而當輸出功率為400mW@230VAC時該電路仍能提供50%的效率。

本文小結

對AC/DC配接器或電源的新需求意味著輸出功率會不斷提高。更高的功率要求意味著如果需要保持結構緊湊,必須採用功率因數校正電路。由於有了本文討論的創新架構,新推出的晶片解決方案可增加額外的PFC級,而不會影響總體電源待機性能。實驗證實,用這種新電路構建的電路板能透過輸出功率為400mW、總效率超過40%的最低功率測試。

作者:Christophe BASSO


應用經理


Email: christophe.basso@onsemi.com


安森美半導體





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