使用模拟控制器构建低成本无桥 PFC设计

我介绍了带有标准 PFC 控制器的半无桥 PFC 作为低成本、高效率 PFC 的候选者。由于效率要求不断增长，许多电源制造商开始将注意力转向无桥功率因数校正(PFC)拓扑结构。一般而言，无桥PFC可以通过减少线路电流路径中半导体元器件的数目来降低传导损耗。尽管无桥PFC的概念已经提出了许多年，但因其实施难度和控制复杂程度，阻碍了它成为一种主流拓扑。本文重点介绍具有模拟转换模式 PFC 控制器的半无桥 PFC 的关键设计注意事项。

大多数现今的数字电源控制器(例如：TI的融合数字电源控制器UCD30xx)都提供了许多的集成电源控制外设和一个电源管理内核，例如：数字环路补偿器，快速模数转换器(ADC)，具有内置停滞时间的高分辨率数字脉宽调制器(DPWM)，以及低功耗微控制器等。它们都对无桥PFC等复杂高性能电源设计具有好处。

标准转换模式 PFC 控制器依靠电流检测和零电流检测 (ZCD) 电路的检测结果作为驱动信号的开/关触发器。电流检测电路用于检测电感电流的峰值以关闭开关。ZCD 电路检测电感电流的零电流点以打开开关。如图 1 所示，半无桥 PFC 有两个开关腿，S 1和 S 2，而不是标准 PFC 中的一个腿。最重要的任务变成了如何将两个电流感应信号从开关腿馈送到一个电流感应引脚，以及如何将两个 ZCD 信号馈送到标准 PFC 控制器的一个 ZCD 引脚。

图 1. 半无桥 PFC 电路的功率级。

电流感应设计

当功率水平较高时，半无桥转换模式 PFC 是有益的。此处推荐使用图 2 所示的电流互感器电流检测电路。代替使用与S 1和S 2串联的电流检测电阻器，使用电流互感器可以大大降低检测电路的功耗。此外，带有电流互感器的电流检测电路中的二极管可确保检测到来自所需开关支路的峰值电流。

图 2. 半无桥转换模式 PFC 电路的电流检测电路。

零电流检测设计

在标准转换模式升压 PFC 电路中，零电流检测通常通过检测来自 PFC 电感器辅助绕组的电压信号来完成(图 3)。内部比较器检测辅助绕组上的电压极性变化作为 S 1的开启信号。但是，该电路在半无桥 PFC 情况下是不切实际的。一种选择是将用于过渡模式升压 PFC 的 ZCD 电路应用于半无桥 PFC 中的两个电感器，其中阻塞二极管与 ZCD 限流电阻器串联。然而，阻塞二极管扩展了 V ZCD下降持续时间并使 ZCD 引脚对噪声敏感，从而导致不正确的触发和保护。串联 RC 不使用电感辅助绕组，而是提供了一种简单的检测选项。当S 1和S 2都关断时，仍有一个开关(一般为MOSFET)通过其体二极管导通电流。因此，在两个开关腿之间产生了电压差。ZCD 电路中的电容器被充电并导致 V ZCD > V REF。当电感电流达到零时，电压差变为零，这使得 V ZCD < V REF 并触发导通事件。

图 3. 用于过渡模式升压和半无桥 PFC 的零电流检测电路。

上述电流感应和 ZCD 电路已应用于PMP9640 – 310W PSU，使用过渡模式无桥 PFC 和 LLC-SRC。PMP9640 中的半无桥 TM PFC 性能在图 4 中与 PMP9531 中的标准 TM PFC 设计进行了比较。在轻载到中载范围内，半无桥 PFC 与升压 PFC 相比，效率提高了接近 1%。

图 4. PMP9531 中的转换模式升压 PFC和 TI 的PMP9640参考设计中的半无桥 TM PFC 的PFC 效率。