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技術(shù)專題
電源系統(tǒng)的PFC電路設(shè)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題，方法是選擇正確的濾波電路，或者對輸入波進行整形以產(chǎn)生向系統(tǒng)負載輸出的最大功率。
如果您使用的是交流電源系統(tǒng)，則可能需要功率因數(shù)校正（PFC）來減少電源上的電流/功率消耗或增加負載的可用功率。雖然PFC電路可用作IC，但它們不能滿足更高電壓/更高電流系統(tǒng)的需求。您需要在PCB上擁有自己的PFC電路設(shè)計和布局，以將功率因數(shù)提高到接近1。這是設(shè)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(shù)校正？
電源的功率因數(shù)是實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關(guān)調(diào)節(jié)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。從輸入線汲取的電流與正弦電壓波形的偏差越大，功率因數(shù)就越小。功率因數(shù)基本上是功率效率的另一個指標。
例如，假設(shè)調(diào)節(jié)器的效率為96％；如果整個電源的功率因數(shù)為60％，則實際效率為96％x 60％= 57.6％。使用PFC電路設(shè)計的目的是使功率因數(shù)盡可能接近1。當功率因數(shù)接近于1時，實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售新產(chǎn)品，則需要確保在電源中使用PFC。最重要的法規(guī)是EN61000-3-2，該法規(guī)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(tǒng)。該法規(guī)還對總諧波失真（THD）設(shè)置了限制，直到在穩(wěn)壓器輸入端測量到的第39次諧波。這說明了PFC電路的另一個好處。功率因數(shù)較大的電源在直流穩(wěn)壓器輸入端的THD接近于零。
PFC電路設(shè)計與拓撲
PFC轉(zhuǎn)換器可以采用升壓或降壓拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。還有降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)，盡管它不如通常需要升高或降低輸入電壓并將其穩(wěn)定在恒定水平上那樣流行。降壓和升壓兩個版本如下所示。如果這些電路圖符合您期望的標準降壓或升壓DC-DC轉(zhuǎn)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影響該電路提供的功率因數(shù)增加。
具有升壓和降壓拓撲結(jié)構(gòu)的PFC電路設(shè)計。
那么，PFC電路與典型的開關(guān)穩(wěn)壓器有何不同？PFC電路設(shè)計中的關(guān)鍵點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(dǎo)通時，隨著輸入電壓的升高，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，就像典型的開關(guān)穩(wěn)壓器一樣。當電感器較小時，紋波將較大。通過將PWM或PFM脈沖施加到MOSFET來維持對波形的控制。下面顯示的三種PFC電路模式由電感器大小和應(yīng)用于MOSFET的調(diào)制類型決定。下表總結(jié)了每種模式下的調(diào)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(diào)制 |
當前特性 |
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CCM |
脈寬調(diào)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正確地提供給開關(guān)MOSFET，您需要對PWM / PFM控制器實施反饋環(huán)路。即使在高電壓下，也有一些專用IC可以用于此目的。
PFC布局：像大功率開關(guān)穩(wěn)壓器一樣對待
在使用任何開關(guān)轉(zhuǎn)換器時，要記住的最重要的一點是考慮隔離開關(guān)噪聲。來自嘈雜的開關(guān)調(diào)節(jié)器或PFC電路的任何噪聲，特別是在大電流下，都會產(chǎn)生強磁場，該磁場會在下游電路中感應(yīng)出噪聲信號。請注意，電流隔離可以消除傳導(dǎo)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(jié)構(gòu)（例如通孔圍欄或屏蔽）來防止任何感應(yīng)噪聲。對于高壓電源和低功耗電子產(chǎn)品中的穩(wěn)壓器IC而言，這一直是電源設(shè)計中的眾所周知的問題。
其他要考慮的因素是設(shè)計PWM信號或PFM信號，堆棧設(shè)計以及其他降低輻射EMI的技術(shù)。在高壓下工作時，還需要確保在PCB布局中的導(dǎo)電元件之間設(shè)置適當?shù)拈g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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