【導讀】PFC( Power Factor Correction)被稱為“功率因數校正”，被定義為有效功率和總耗電量(視在功率)的(de)比(bi)值(zhi)。當(dang)使(shi)用(yong)於(yu)大(da)中(zhong)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)時(shi)，提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)電(dian)網(wang)傳(chuan)輸(shu)中(zhong)的(de)損(sun)耗(hao)從(cong)而(er)提(ti)高(gao)電(dian)能(neng)的(de)輸(shu)送(song)效(xiao)率(lv)。因(yin)此(ci)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)有(you)著(zhe)重(zhong)要(yao)的(de)意(yi)義(yi)。

本文將為大家介紹川土微電子CA-IS120X/130X係列產品在PFC中的應用，並針對實際應用提出使用方法和控製建議。

01 功率因數的定義

功率因數定義為交流電路有功功率P(W)對視在功率S(V*A)的比值。當交流電壓和電流相位不同時，則功率因數小於1。用戶電器設備在一定電壓和功率下
，該值越高效益越好，發電設備越能充分利用。常用表示，功率因數。

圖1：功率因數定義

對於沒有PFC 的升壓電路
，主要由整流橋電路，升壓功率級以及控製電路組成，如圖 2 所示。整流電路將市電(220V/50Hz)轉化成直流電，整流後由於升壓電路輸入存在大電容(CBULK)造成有尖峰電流。另外，此時在輸入市電側產生畸變的電流iac，裏麵含有基波成分，也含有諧波成分。在該電路中，升壓電路隻控製輸出電壓VOUT，對輸入電流沒有任何調節。波形如圖 3 所示：

圖2：整流橋+升壓電路

圖3：整流橋+升壓電路典型波形

PFC電路將輸入側相電流也加入控製環路，對電流波形和相位進行調節，從而實現提高功率因數的控製。

如圖 4所示。檢測到的輸出電壓和輸出參考電壓進行比較，通過PI或PID將輸出誤差放大，放大後的信號和輸入總線電壓Vbus相乘，從而得到直流母線側的電流的參考 包(bao)絡(luo)線(xian)
，最(zui)後(hou)通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)器(qi)可(ke)以(yi)在(zai)保(bao)證(zheng)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)達(da)到(dao)預(yu)定(ding)值(zhi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)母(mu)線(xian)電(dian)流(liu)追(zhui)蹤(zong)母(mu)線(xian)電(dian)壓(ya)。該(gai)控(kong)製(zhi)器(qi)有(you)多(duo)種(zhong)控(kong)製(zhi)方(fang)法(fa)和(he)架(jia)構(gou)，後(hou)麵(mian)章(zhang)節(jie)會(hui)講(jiang)述(shu)。

注：忽略直流側輸入母線電壓過低引起的電壓無法轉換問題，實際存在填穀電路。

圖4：整流橋+PFC 升壓電路

02 高邊電流采樣

電流采樣一般分為高邊采樣和低邊采樣。高邊采樣具有比較高的對地共模電壓
，可以使用川土微電子的產品CA-IS3105W做為隔離電源。R_SNS為高邊采樣電阻，當電流流過電阻時，該電阻上產生壓降，使用電流放大器CA-IS1200/CA-IS1300將壓降傳送到低壓側，通過ADC轉換成數字信號送入DSP或MCU。也可以使用CA-IS1204
、CA-IS1305/06將差分電壓信號傳送到低邊，通過MCU直接取低壓側的數字信號。

高邊采樣如圖 5和圖 6所示。

圖5：高邊電流采樣示意圖1

圖6：高邊電流采樣示意圖2

高邊側電流采樣方式使用時有以下特點：

1>供電複雜，必須使用隔離電源。

2>隔離電源輸出地連接采樣側的低電壓端，不能連接至功率級GND。

3>使用隔離電源時要注意輸入和輸出側使用LDO或濾波器，以防止輸入輸出側電壓紋波幹擾其他信號。

4>正常工作時高邊側供電隔離柵耐壓為母線電壓，因此對隔離器耐壓是考驗，最終影響芯片工作壽命。

5>高邊采樣對於升壓boost電路而言
，可以對電感全開關周期內電流進行監控和控製
， PFC boost電路控製方式多樣靈活。

高邊采樣PFC 升壓電路的控製方法

●  01定頻峰值電流控製

電感峰值電流
，定頻率控製，如圖 7所示。輸出電壓和參考電壓通過PI/PID進行比較放大，在和輸入直流總線電壓相乘得到總線電流指令值。控製邏輯通過比較器U2和觸發器U1產生。如果開關管Q2開通
，Q1關閉，那麼電感電流ibus增大。K_ibus為ibus一定比例放大後的轉換值。當電流K_ibus達到指令峰值VCOMP時,比較器U2輸出高電平

，重置觸發器U1，此時開關管Q2關閉，Q1開通，電感電流放電直至觸發器由於固定頻率的脈衝而被置高。

圖7：定頻峰值電流控製PFC升壓電路

如圖 8所示，工作於CCM(Continuous Current Mode) 的(de)升(sheng)壓(ya)電(dian)路(lu)，當(dang)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)觸(chu)碰(peng)到(dao)指(zhi)令(ling)電(dian)流(liu)後(hou)，電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)停(ting)止(zhi)充(chong)電(dian)開(kai)始(shi)放(fang)電(dian)，電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)形(xing)成(cheng)的(de)包(bao)絡(luo)線(xian)呈(cheng)正(zheng)弦(xian)波(bo)。包(bao)絡(luo)線(xian)的(de)平(ping)均(jun)值(zhi)接(jie)近(jin)正(zheng)弦(xian)波(bo)形(xing)。對(dui)於(yu)工(gong)作(zuo)於(yu)DCM(Discontinuous Current Mode)的升壓電壓。電感電流觸碰到指令電流後，電感電流停止充電並開始放電，當電流降至零時觸發電流過零檢測邏輯，開關管Q1關閉且保持關閉狀態直至時鍾信號觸發下一開關周期的開關管通斷。工作於峰值電流控製模式時，開關頻率保持定值。

圖8：BCM峰值控製PFC升壓電路

還有一種介於DCM和CCM之間被稱為BCM(Boundary Current Mode)
，即電感放電至過零時，啟動下一開關周期的通斷，因此電路中需要電流過零檢測(ZCD)環節。該模式下開關頻率可變，隨輸入、輸出、負載等情況變化。電路和波形分別如圖 9和圖 10 所示。

圖9：BCM 峰值控製PFC 升壓電路

圖10：BCM 峰值控製PFC 升壓電路波形

●  02遲滯控製

遲滯控製(Hysteresis Control)將jiang被bei控kong量liang的de上shang下xia限xian做zuo為wei控kong製zhi的de參can數shu。當dang電dian流liu碰peng到dao目mu標biao控kong製zhi量liang上shang限xian時shi，電dian感gan電dian流liu開kai始shi放fang電dian
，直zhi至zhi碰peng到dao控kong製zhi量liang下xia限xian。該gai種zhong控kong製zhi將jiang被bei控kong量liang控kong製zhi在zai一yi定ding範fan圍wei內nei，控kong製zhi相xiang對dui簡jian單dan，頻pin率lv不bu固gu定ding
，控kong製zhi電dian路lu如ru圖tu 11，波形如圖 12 所示。

圖11：遲滯控製PFC 升壓電路

圖12：遲滯控製PFC 升壓電路波形

03 低邊電流采樣

如果將采樣電阻串聯在開關管上為低邊電流采樣，如圖 13 和圖 14 所示。

低邊采樣具有低的對地共模電壓
，R_SNS 為高邊采樣電阻
，當電流流過電阻時，該電阻上產生壓降
，使用電流放大器CA-IS1200/CA-IS1300 將壓降傳送到低壓側，通過ADC 轉換成數字信號送入DSP 或MCU
，如圖 13 所示。也可以使用CA-IS1204、CA-IS1305/06 將差分電壓信號傳送到低邊，通過MCU 直接讀取低壓側的數字信號，如圖 14 所示。該種采樣模式由於高壓側參考對地
，因此可使用隔離電源CA-IS3105W，但是隔離電源輸入和輸出建議串接LDO 或者濾波器連接至VDD2，這樣依然有一定的成本。另外一種方式即電阻和穩壓管串聯的，這種方式比較經濟。

低邊側電流采樣方式使用時有以下特點：

1> 供電相對簡單，可以不使用隔離電源。

2> 如果使用隔離電源供電，要注意輸入和輸出側使用LDO 或濾波器
，防止輸入輸出側電壓紋波幹擾其他信號。

3> 正常工作時隔離柵電壓很低，因此對一般情況下隔離柵承受應力很小。

4> 高邊采樣對於升壓boost 電路而言，開關周期內隻能對電感充電電流進行監控和控製， PFC boost 電路控製方式受限。

圖13：低邊電流采樣示意圖1

圖14：低邊電流采樣示意圖2

低邊電流采樣PFC 升壓電路的控製方法

●  01固定開關時間控製COT

當電感電流觸碰到指令電流後，電感電流停止充電開始放電，通過One-shot 邏luo輯ji產chan生sheng一yi個ge固gu定ding時shi間jian的de脈mai衝chong寬kuan度du即ji一yi個ge固gu定ding的de放fang電dian時shi間jian。當dang這zhe個ge固gu定ding的de時shi間jian完wan成cheng
，電dian感gan電dian流liu開kai始shi充chong電dian直zhi至zhi電dian感gan電dian流liu再zai次ci碰peng到dao指zhi令ling電dian流liu。電dian感gan電dian流liu形xing成cheng的de包bao絡luo線xian呈cheng正zheng弦xian波bo。包bao絡luo線xian的de平ping均jun值zhi接jie近jin正zheng弦xian波bo形xing。該gai模mo式shi下xia開kai關guan頻pin率lv可ke變bian，隨sui輸shu入ru、輸出、負載等情況變化。

圖15：固定關斷時間控製電路

圖16：固定關斷時間控製波形

除以上控製方式除外，還有其他控製方式例如平均電流模式控製，穀值電流控製，固定開通時間（Constant On Time）
，電壓控製模式等，本章不再詳細敘述。

●  02高邊采樣和低邊電流采樣對比分析

04 電壓采樣

由於PFC 電路中需要對輸入母線和輸出電壓做采樣。采樣輸入母線電壓用於獲得輸入電壓的相位信息，采樣輸出電壓用於負反饋回路，如圖 17 suoshi。dangxuyaodianyacaiyangshi
，yaozhuyishurudianyadefanweiyibaozhengshurucaiyangdedaodegongmohechamodianyazaifangdaqidezhengchanggongzuofanweinei。shiyongfenyadianzujiangshurudianyaanbilijiangxialairanhouzaisongrudianliufangdaqi，bixumanzuyixiatiaojian：

注：公式（3）非必須滿足，使用DSP 或者MCU 濾波算法亦可實現數字濾波功能。

VRange 為放大器最大輸入差分電壓，Vbus 為輸入直流母線電壓最大值, f_Vbus 為輸入直流母線電壓頻率。

R3=R2//R1 用來抵消放大器由於輸入電流引起的失調電壓。C1 和R1，R2，R3 組成低通濾波器對放大器輸入電壓進行濾波。詳情請參看川土應用筆記《基於CA-IS1200_1300 的隔離母線電壓檢測方案》。

采樣輸出壓為了獲得輸出電壓，用於負反饋控製
，如圖 17 所suo示shi。當dang需xu要yao輸shu出chu電dian壓ya采cai樣yang時shi，要yao注zhu意yi輸shu出chu電dian壓ya的de範fan圍wei以yi保bao證zheng輸shu入ru采cai樣yang得de到dao的de共gong模mo和he差cha模mo電dian壓ya在zai電dian流liu放fang大da器qi的de正zheng常chang工gong作zuo範fan圍wei內nei。使shi用yong分fen壓ya電dian阻zu將jiang輸shu入ru電dian壓ya按an比bi例li降jiang下xia來lai然ran後hou再zai送song入ru電dian流liu放fang大da器qi，必bi須xu滿man足zu以yi下xia條tiao件jian：

VRange 為放大器最大輸入差分電壓，VOUT 為輸出電壓, fs 為變換器開關頻率。

圖17：升壓電路電壓采樣圖

05 PCB設計範例

低邊電流采樣PFC 升壓電路的控製方法

●  01電流檢測放大器應用於檢測電流注意事項

當電流檢測放大器用於檢測電流時，必須注意以下事項


，如圖 18 所示：

1> C1 和C2 為芯片供電提供儲能和濾波功能，因此C1 和C2 緊靠芯片VDD1 和VDD2 引腳擺放。

2> R_SNS 為wei電dian流liu檢jian測ce電dian阻zu

，當dang電dian流liu流liu過guo該gai電dian阻zu時shi產chan生sheng壓ya降jiang，該gai壓ya降jiang通tong過guo送song入ru電dian流liu檢jian測ce放fang大da器qi。設she計ji時shi盡jin量liang用yong差cha分fen走zou線xian方fang式shi。當dang差cha分fen線xian比bi較jiao長chang時shi，可ke以yi采cai用yongR1 和R2
，C2 做為濾波器

，也可以減少差分線由於阻抗偏差造成的檢測誤差，因此R1=R2。

3> INP/INN、OUTP/OUTN 差分對容易受到幹擾
，設計時注意遠離幹擾源，一般為高