APFC原理及實現(xiàn)思路
APFC的原理
●開關(guān)電源的波形失真的罪魁禍?zhǔn)资钦鳂蚝竺娴碾娙?，使用逐流電路后可以緩解這個問題,，但不能根除，而主動式PFC能夠根除這個問題,。
●主動式PFC的方法是直接將整流橋后面的電容直接去掉,，讓輸入電流持續(xù)。
★光讓電流持續(xù)還不夠,，還必須讓整流橋后面的部分看起來像一個電阻,，使得電流是隨著輸入電壓的變化而變化的。
★因為開關(guān)電源在整流橋后面是一個電感負載,，電感的電流電壓關(guān)系為：
★所以開關(guān)電源需要控制t,，來使得?vdt和V成正比。
APFC的形式
●開關(guān)電源是通過開關(guān)切換來間歇式的將能量傳遞過去,，因此不可能使瞬時電流呈現(xiàn)出一個連續(xù)平滑的正弦波形,，只能使平均電流波形呈現(xiàn)出正弦波形。
★一共有3種形式的電流波形,，對應(yīng)3種模式CCM,，BCM(CRM)，DCM,。
電流平滑
●開關(guān)電源只能制造鋸齒形的電流,，而PFC要求較平滑的電流，否則電流THD會很大,，因此,，需要在輸入端加一個電流低通濾波電路。
★電流濾波使用電感和電容,，電感對電流進行平滑,，而電容儲存能量，應(yīng)付PFC過程中的電流突變,。
3種模式的對比
●這三種模式,，其本質(zhì)上的區(qū)分是流過電感的電流。
★CCM,，電感電流是連續(xù)的,；
★BCM，電感電流不連續(xù),，但不會持續(xù)為0,；
★DCM,，電感電流有持續(xù)為0的時候。
●從電源功率來說：CCM > BCM > DCM,。
★理論上來說,，高功率的也可以用于低功率，但CCM的控制環(huán)路存在巨大缺陷,，無法做到高切換頻率,，因此在小功率段通常是不使用CCM的。
BCM的實現(xiàn)方法
●要讓BCM的平均電流為正弦,，需要兩個條件：
★流過電感的電流的峰值包絡(luò)為正弦；
★輸入平均電流和電感峰值成比例,。
●對于第二個條件,，除了boost外，其他拓撲都做不到,，如下圖所示：
★Boost拓撲在整個周期內(nèi)都有輸入電流,，平均電流正好是包絡(luò)電流的1/2，而對于其他拓撲,，只有在TON時間內(nèi),，輸入電流才有，Toff時間內(nèi)輸入電流為0,，這樣就導(dǎo)致平均電流和峰值電流并不是一個固定的比例關(guān)系,。
Boost實現(xiàn)BCM的方法
●電路需要得到2個時間點，當(dāng)前周期的TON結(jié)束和當(dāng)前周期的TOFF結(jié)束的時刻,。
★當(dāng)前周期的TON結(jié)束由電流峰值比較器來檢測,，而TOFF的結(jié)束由過零比較器來檢測。
導(dǎo)通時間的問題
●仔細觀察BCM,，可以看到導(dǎo)通時間貌似是恒定的,，這個不是故意畫得一樣，而是有原因的,。
●電感上的電流可以用如下公式來表示：
●這個公式可以看到,，電感上的電流直線上升，上升斜率取決于輸入電壓,，而上升的終點同樣取決于輸入電壓,，這樣就導(dǎo)致導(dǎo)通時間最終和輸入電壓無關(guān)了。
PFC方法的改進-固定導(dǎo)通時間
●又前面的分析可知,，Boost實現(xiàn)PFC后,，導(dǎo)通時間變成恒定了，那么反過來,，一上來就將導(dǎo)通時間設(shè)成恒定,，是不是也能實現(xiàn)PFC,，答案是肯定的。
★改進后,，就成了主動固定導(dǎo)通時間,，因而省掉了峰值電流比較電路。
★固定導(dǎo)通時間是目前非常主流的PFC技術(shù),，適合用數(shù)字控制,，計數(shù)器產(chǎn)生固定寬度的正脈沖，每次過零比較器檢測到退磁點,，便產(chǎn)生一個正脈沖,。
PFC電源調(diào)整輸出電壓的方法
●很多電源都有穩(wěn)壓的需求，所謂穩(wěn)壓實際上就是調(diào)整電源傳遞的能量,，對于固定導(dǎo)通時間來說,，調(diào)整峰值電流的包絡(luò)線就可以調(diào)整平均電流，也就調(diào)整了輸入功率,，進而調(diào)整了輸出電壓,。
★因為輸入電壓為AC，總是不變的,，因此電感上電流斜率是不變的,，縮放包絡(luò)線后，相當(dāng)于改變了峰值電流比較器的閾值,，電感上的電流三角波會變化,，包絡(luò)線越矮，平均電流越小,，輸出功率越低,，TON時間越短，開關(guān)的切換頻率越高,。
輸出穩(wěn)壓的方法
●由前面的分析可知,，要調(diào)整輸出電壓，只需要調(diào)整TON即可,，因此將輸出電壓反饋回來,，調(diào)整TON即可。
BCM的問題和解決
●BCM的特點是輸出功率越低,，切換頻率越高,，如果電源本身需要在較大的輸出功率內(nèi)切換，比如調(diào)光,，需要在1%-100%之內(nèi)切換,，開關(guān)管的切換頻率也需要接近100倍的變化范圍。
★這么大的變化范圍是無法實現(xiàn)的,，無論是MOS還是電感,，都不可能在這么大的切換頻率內(nèi)始終保持最優(yōu)工作狀態(tài),。
●解決方法是在每個周期插入死區(qū)等待時間，使BCM變成DCM模式,。
加入死區(qū)等待的DCM
●如果需要降低輸入電流,，可以不調(diào)整TON ，但是在每個切換周期后面增加等待時間,，輸入電流降低越多,，等待時間越長，在TON不變的情況下,，輸入電流越低,，頻率越低。
★如果調(diào)整范圍不大的話,，加入死區(qū)等待就足夠了,，如果調(diào)整范圍大的話，可以結(jié)合死區(qū)等待和包絡(luò)線調(diào)整,，或者以一個為主，另一個為輔,，比如以包絡(luò)線為主,，死區(qū)等待為輔，或者使用兩個技術(shù)實現(xiàn)更精細的調(diào)整,。
--數(shù)字控制的方式,，TON的最小調(diào)整粒度為1個TCLK ，而引入死區(qū)等待（補償）后,，最下調(diào)整粒度可以高于一個TCLK,。
結(jié)合死區(qū)等待后的穩(wěn)壓算法
●同時使用調(diào)節(jié)TON和TDEAD后，控制算法會變得復(fù)雜,，一種算法思路如下：
★以TON為主來調(diào)節(jié)輸出功率,，通過TON調(diào)節(jié)包絡(luò)線的高度，TDEAD存在完全是為了調(diào)節(jié)頻率,，這樣就得到了2種方法：
--先調(diào)TON ,， TON調(diào)不動了后再調(diào)TDEAD ，或者先調(diào)TDEAD,，再調(diào)TON,；
--先調(diào)TON ， TON調(diào)不動了后再調(diào)TDEAD ,，或者先調(diào)TDEAD,，再調(diào)TON；
對比幾種算法
●從開發(fā)難度來說,，一次調(diào)一個參數(shù)肯定比一次調(diào)多個參數(shù)要簡單,，但一次調(diào)多個參數(shù)可以實現(xiàn)更豐富的算法,，比如對參數(shù)進加權(quán)，就可以實現(xiàn)不同的曲線效果,，甚至可以做到自始至終切換頻率不變,。
★注意到兩個參數(shù)的曲線總是不同趨勢的， TON增加,，切換頻率降低,，而TDEAD 減少，切換頻率升高,，因此理論上可以做到切換頻率不變,。
死區(qū)時間的多周期均衡關(guān)系
●在BCM情況下，平均電流天然就是正弦,，而引入死區(qū)等待后,，變成DCM，平均電流不再能天然正弦,，這個時候需要使用數(shù)字算法來均衡每個周期的TDEAD,，使平均電流依然既能保持正弦形狀。
★所謂均衡,，就是指插入到各個周期內(nèi)的TDEAD保持一定的關(guān)系,。
●均衡算法的開發(fā)思路如下：
擴展到其他拓撲
●前面分析過，Boost相比其他拓撲的優(yōu)勢在于 TON和 TON都有輸入電流,，但引入死區(qū)時間后,，TDEAD還是沒有電流，此時Boost相比其他拓撲的優(yōu)勢實際上沒有了,，因此可以使用任何拓撲來實現(xiàn)PFC,。
●假設(shè)依然使用固定導(dǎo)通時間，其他拓撲的TDEAD均衡算法開發(fā)思路如下：
PFC和恒流的沖突
●前面都是通過調(diào)節(jié)輸出電壓來調(diào)整輸出功率,，但很多應(yīng)用中是通過調(diào)節(jié)輸出電流來調(diào)整輸出功率的,，這就給PFC帶來了很大的一個難題。
★穩(wěn)壓和穩(wěn)流最大的不同,，在于穩(wěn)壓只需要保證很長一段時間內(nèi)平均輸出電壓恒定即可,，而目前的穩(wěn)流技術(shù)則需要使得每個切換周期的電流都保持恒定。
--為什么電壓可以看一段時間平均電壓,，因為負載端都帶有大電容,，這個電容上的電壓就是一段時間內(nèi)的平均電壓，將這個電壓采樣反饋到輸入,，就可以調(diào)節(jié)平均電壓,。
--而電流則不行，目前沒有方法能讓每個周期電流都變化，而平均電流在一段時間內(nèi)保持恒定,，因為沒有辦法來采樣一段時間內(nèi)的平均電流,。
●PFC要求電流為正弦狀，也就是每個周期都不一樣,，而恒流要求電流每個周期都一樣,，這樣就形成了一對不可調(diào)和的矛盾。
解決PFC和恒流的沖突
●目前沒有看到有很好的方法能夠簡單的同時提高PF和恒流精度,，已知的幾種方法如下：
★采樣2級方案,，第一級為Boost，實現(xiàn)高PF,，第二級實現(xiàn)恒流,，這樣就避開了兩者的沖突，但缺點是成本高,；
★采用切分周期的方法,，將一個AC周期分成多個時間段，一些時間做PFC,，另一些時間做恒流,，如下圖所示，這樣可以單級實現(xiàn),，但效果相比2級就要差一些了,。
●對于大功率，成本不敏感的場合來說,，使用2級方案是很合適的，但對于成本敏感的場合,，就需要下很大的功夫來進行優(yōu)化了,。
