精辟！就这样把PF和PFC讲透了！

04

APFC原理及实现思路

APFC的原理

开关电源的波形失真的罪魁祸首是整流桥后面的电容，使用逐流电路后可以缓解这个问题，但不能根除，而主动式PFC能够根除这个问题。

主动式PFC的方法是直接将整流桥后面的电容直接去掉，让输入电流持续。

光让电流持续还不够，还必须让整流桥后面的部分看起来像一个电阻，使得电流是随着输入电压的变化而变化的。

因为开关电源在整流桥后面是一个电感负载，开关电源需要控制t，来使得ʃvdt和V成正比。

APFC的形式

开关电源是通过开关切换来间歇式的将能量传递过去，因此不可能使瞬时电流呈现出一个连续平滑的正弦波形，只能使平均电流波形呈现出正弦波形。

一共有3种形式的电流波形，对应3种模式CCM，BCM(CRM)，DCM。

电流平滑

开关电源只能制造锯齿形的电流，而PFC要求较平滑的电流，否则电流THD会很大，因此，需要在输入端加一个电流低通滤波电路。

电流滤波使用电感和电容，电感对电流进行平滑，而电容储存能量，应付PFC过程中的电流突变。

三种模式的对比

这三种模式，其本质上的区分是流过电感的电流。CCM，电感电流是连续的；BCM，电感电流不连续，但不会持续为0；DCM，电感电流有持续为0的时候。

从电源功率来说：CCM > BCM > DCM。

从理论上来说，高功率的也可以用于低功率，但CCM的控制环路存在巨大缺陷，无法做到高切换频率，因此在小功率段通常是不使用CCM的。

BCM的实现方法

要让BCM的平均电流为正弦，需要两个条件：一是流过电感的电流的峰值包络为正弦；二是输入平均电流和电感峰值成比例。

对于第二个条件，除了boost外，其他拓扑都做不到。

Boost拓扑在整个周期内都有输入电流，平均电流正好是包络电流的1/2，而对于其他拓扑，只有在TON时间内，输入电流才有，Toff时间内输入电流为0，这样就导致平均电流和峰值电流并不是一个固定的比例关系。

Boost实现BCM的方法

电路需要得到2个时间点，当前周期的TON结束和当前周期的TOFF结束的时刻。

当前周期的TON结束由电流峰值比较器来检测，而TOFF的结束由过零比较器来检测。

导通时间的问题

仔细观察BCM，可以看到导通时间貌似是恒定的，这个不是故意画得一样，而是有原因的。

电感上的电流可以用公式来表示，电感上的电流直线上升，上升斜率取决于输入电压，而上升的终点同样取决于输入电压，这样就导致导通时间最终和输入电压无关了。

PFC方法的改进-固定导通时间

又前面的分析可知，Boost实现PFC后，导通时间变成恒定了，那么反过来，一上来就将导通时间设成恒定，是不是也能实现PFC，答案是肯定的。

改进后，就成了主动固定导通时间，因而省掉了峰值电流比较电路。

固定导通时间是目前非常主流的PFC技术，适合用数字控制，计数器产生固定宽度的正脉冲，每次过零比较器检测到退磁点，便产生一个正脉冲。

PFC电源调整输出电压的方法

很多电源都有稳压的需求，所谓稳压实际上就是调整电源传递的能量，对于固定导通时间来说，调整峰值电流的包络线就可以调整平均电流，也就调整了输入功率，进而调整了输出电压。

因为输入电压为AC，总是不变的，因此电感上电流斜率是不变的，缩放包络线后，相当于改变了峰值电流比较器的阈值，电感上的电流三角波会变化，包络线越矮，平均电流越小，输出功率越低，TON时间越短，开关的切换频率越高。

输出稳压的方法

由前面的分析可知，要调整输出电压，只需要调整TON即可，因此将输出电压反馈回来，调整TON即可。

BCM的问题和解决

BCM的特点是输出功率越低，切换频率越高，如果电源本身需要在较大的输出功率内切换，比如调光，需要在1%-100%之内切换，开关管的切换频率也需要接近100倍的变化范围。

这么大的变化范围是无法实现的，无论是MOS还是电感，都不可能在这么大的切换频率内始终保持最优工作状态。

解决方法是在每个周期插入死区等待时间，使BCM变成DCM模式。

加入死区等待的DCM

如果需要降低输入电流，可以不调整TON ，但是在每个切换周期后面增加等待时间，输入电流降低越多，等待时间越长，在TON不变的情况下，输入电流越低，频率越低。

如果调整范围不大的话，加入死区等待就足够了，如果调整范围大的话，可以结合死区等待和包络线调整，或者以一个为主，另一个为辅，比如以包络线为主，死区等待为辅，或者使用两个技术实现更精细的调整。

--数字控制的方式，TON的最小调整粒度为1个TCLK ，而引入死区等待（补偿）后，最下调整粒度可以高于一个TCLK。

结合死区等待后的稳压算法

同时使用调节TON和TDEAD后，控制算法会变得复杂，一种算法思路如下：

以TON为主来调节输出功率，通过TON调节包络线的高度，TDEAD存在完全是为了调节频率，这样就得到了2种方法：

一是，先调TON ， TON调不动了后再调TDEAD ，或者先调TDEAD，再调TON；

二是，先调TON ， TON调不动了后再调TDEAD ，或者先调TDEAD，再调TON；

对比几种算法

从开发难度来说，一次调一个参数肯定比一次调多个参数要简单，但一次调多个参数可以实现更丰富的算法，比如对参数进加权，就可以实现不同的曲线效果，甚至可以做到自始至终切换频率不变。

注意到两个参数的曲线总是不同趋势的， TON增加，切换频率降低，而TDEAD 减少，切换频率升高，因此理论上可以做到切换频率不变。

死区时间的多周期均衡关系

在BCM情况下，平均电流天然就是正弦，而引入死区等待后，变成DCM，平均电流不再能天然正弦，这个时候需要使用数字算法来均衡每个周期的TDEAD，使平均电流依然既能保持正弦形状。

所谓均衡，就是指插入到各个周期内的TDEAD保持一定的关系。

均衡算法的开发思路如下：

扩展到其他拓扑

前面分析过，Boost相比其他拓扑的优势在于 TON和 TON都有输入电流，但引入死区时间后，TDEAD还是没有电流，此时Boost相比其他拓扑的优势实际上没有了，因此可以使用任何拓扑来实现PFC。

假设依然使用固定导通时间，其他拓扑的TDEAD均衡算法开发思路如下：

PFC和恒流的冲突

前面都是通过调节输出电压来调整输出功率，但很多应用中是通过调节输出电流来调整输出功率的，这就给PFC带来了很大的一个难题。

稳压和稳流最大的不同，在于稳压只需要保证很长一段时间内平均输出电压恒定即可，而目前的稳流技术则需要使得每个切换周期的电流都保持恒定。

为什么电压可以看一段时间平均电压，因为负载端都带有大电容，这个电容上的电压就是一段时间内的平均电压，将这个电压采样反馈到输入，就可以调节平均电压。

而电流则不行，目前没有方法能让每个周期电流都变化，而平均电流在一段时间内保持恒定，因为没有办法来采样一段时间内的平均电流。

PFC要求电流为正弦状，也就是每个周期都不一样，而恒流要求电流每个周期都一样，这样就形成了一对不可调和的矛盾。

解决PFC和恒流的冲突

目前没有看到有很好的方法能够简单的同时提高PF和恒流精度，已知的几种方法如下：

采样2级方案，第一级为Boost，实现高PF，第二级实现恒流，这样就避开了两者的冲突，但缺点是成本高；

采用切分周期的方法，将一个AC周期分成多个时间段，一些时间做PFC，另一些时间做恒流，这样可以单级实现，但效果相比2级就要差一些了。

对于大功率，成本不敏感的场合来说，使用2级方案是很合适的，但对于成本敏感的场合，就需要下很大的功夫来进行优化了。

（免责声明：整理本文出于传播相关技术知识，版权归原作者所有。）