在任何配電系統(tǒng)中，非電阻性負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電流和電壓異相移動(dòng)，從而導(dǎo)致能量作為無功功率損失。雖然在純阻性負(fù)載的情況下電流和電壓將保持同相，但感性負(fù)載存儲(chǔ)無功功率并導(dǎo)致電流滯后于電壓，并且容性負(fù)載導(dǎo)致電流引導(dǎo)電壓。當(dāng)電流波形不跟隨電壓波形時(shí)，不僅功率損失，而且所產(chǎn)生的諧波可以通過配電系統(tǒng)，從而破壞其他連接的設(shè)備。

隨著電流和電壓波形越來越接近，所有功率都包含在基頻中，諧波降至零。功率因數(shù)校正（PFC）用于控制電流以匹配電壓的形狀和相位，通過有效地將負(fù)載轉(zhuǎn)換為純電阻來最大化來自電源的實(shí)際功率。

在微觀層面，功率因數(shù)校正為能量收集電路的設(shè)計(jì)者提供了直接的好處。用于從環(huán)境源獲取能量的功率調(diào)節(jié)電路經(jīng)常導(dǎo)致電流輸出中的諧波，導(dǎo)致功率損耗。在這些情況下，線性穩(wěn)壓器的使用導(dǎo)致在最佳工作范圍之外工作時(shí)效率降低，而開關(guān)穩(wěn)壓器的使用可能引入額外的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，以解決可能限制最佳功率輸出的穩(wěn)定性問題。 PFC電路旨在解決這些挑戰(zhàn)。

因此，功率因數(shù)校正（PFC）在最大化實(shí)際功率和保持其質(zhì)量方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用?？刂浦C波電流的最簡單方法是使用僅以線路頻率傳遞電流的濾波器。該濾波器降低了諧波電流，這意味著非線性器件現(xiàn)在看起來像線性負(fù)載。此時(shí)，可以根據(jù)需要使用電容器或電感器使功率因數(shù)接近一致。該濾波器需要大尺寸，高電流的電感器，這些電感器體積大且價(jià)格昂貴。

與無源PFC方法不同，有源方法以最少的元件數(shù)量和成本實(shí)現(xiàn)PFC。利用各種集成器件，設(shè)計(jì)人員可以使用Cirrus Logic，F(xiàn)reescale Semiconductor，F(xiàn)remont Micro Devices，Linear Technology，ON Semiconductor，Renesas，STMicroelectronics，Texas Instruments和Toshiba等制造商的IC輕松實(shí)現(xiàn)能量采集應(yīng)用中的PFC，等等。

降低損耗

在典型的電源電路中，功率因數(shù)校正電路位于整流器和輸出存儲(chǔ)電容之間（圖1）。雖然功率因數(shù)可以通過無源元件進(jìn)行校正，但有源功率校正為許多設(shè)計(jì)提供了更小，更有效的解決方案。

圖1：有源功率因數(shù)校正電路位于整流器和存儲(chǔ)電容器組件之間，以確保電流波形的形狀和相位與電壓波形相匹配（感謝ON）半導(dǎo)體）。

傳統(tǒng)的PFC電路可以構(gòu)建為在不連續(xù)或連續(xù)模式下工作，其中電流在每個(gè)周期（不連續(xù)）期間接通和斷開，或者電流從未達(dá)到零（連續(xù)）。臨界傳導(dǎo)模式（CRM）是一種混合型，在不連續(xù)和連續(xù)模式之間運(yùn)行。 CRM消除了不連續(xù)模式在循環(huán)之間施加的死區(qū)時(shí)間，直到電流重新打開為止。同時(shí)，與連續(xù)模式相比，它允許電流返回到零。這些屬性及其相對簡單性使CRM PFC非常適合能量收集等低功耗應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以從各種CRM PFC IC中進(jìn)行選擇。

對于低功耗應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向基本的CRM PFC器件，包括飛思卡爾半導(dǎo)體FAN7527BN，F(xiàn)remont Micro器件FT821，安森美半導(dǎo)體MC33262，STMicroelectronics L6561，德州儀器UCC28051D和東芝TB6819AFG等。為了實(shí)現(xiàn)PFC，這些基本器件通常依靠門控信號(hào)來打開和關(guān)閉功率MOSFET，從而產(chǎn)生匹配形狀和相位電壓波形所需的電流波形（圖2）。

圖2：基本CRM PFC IC通常通過門控電感電流來提供塑造電流波形所需的功能（由Fairchild Semiconductor提供）。

此類設(shè)備通常結(jié)合了誤差放大器，零電流檢測器，開關(guān)電流傳感器，輸入電壓傳感器和開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，只需幾個(gè)外部元件即可實(shí)現(xiàn)完整的PFC解決方案。此外，這些器件通常還包括用于過壓保護(hù)，欠壓鎖定，欠壓檢測和其他故障的內(nèi)置電路。

在差異化因素中，這些產(chǎn)品具有不同的工作電流水平和性能特征。對于他們的L6561，STMicroelectronics包括帶有線性乘法器的特殊電路，以減少輸入電流失真，從而在各種負(fù)載條件下提供低THD。對于他們的FAN7527BN，飛兆半導(dǎo)體使用精密雙輸入乘法器，在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)具有嚴(yán)格的線性度，以確保在各種工作條件下的PFC性能。

工程師可以找到設(shè)計(jì)有特殊功能的CRM PFC IC，旨在支持高效的電源設(shè)計(jì)。凌力爾特公司的LT3798包括能夠檢測初級(jí)側(cè)反激信號(hào)輸出電壓的電路，無需光隔離器或信號(hào)變壓器進(jìn)行反饋。

對于他們的FAN6920MR，飛兆半導(dǎo)體集成了一個(gè)準(zhǔn)諧振PWM控制器，旨在減少過零時(shí)的輸入電流失真，從而提高總諧波失真（THD）性能。此外，這種配置有助于降低開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。

數(shù)字控制

基于數(shù)字的PFC解決方案具有廣泛的優(yōu)勢，包括消除由于元件公差和老化引起的不準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)人員可以優(yōu)化算法參數(shù)以獲得所需的性能水平，而不是修剪外部組件來調(diào)整PFC性能。

Cirrus Logic CS1501將必要的電流和電壓測量電路與執(zhí)行數(shù)字算法的處理器內(nèi)核相結(jié)合，優(yōu)化MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比和開關(guān)頻率以實(shí)現(xiàn)PFC。在輕載條件下，CS1501可以間歇性地禁用PFC周期，以提高系統(tǒng)效率。

設(shè)計(jì)人員還可以使用與構(gòu)建主應(yīng)用程序相同的集成MCU內(nèi)置基本PFC功能。設(shè)計(jì)人員可以使用集成的MCU（如Renesas V850E，包括ADC，DAC和PWM功能）實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字的基本PFC控制器。在這里，MCU通過控制在PFC級(jí)中為主要應(yīng)用（如電機(jī)控制器）形成輸入電流所需的門控信號(hào)，從而無需PFC IC（圖3）。

圖3：具有集成ADC，DAC和PWM功能的MCU可以在電源階段塑造電流波形，無需單獨(dú)的PFC IC（圖片由Renesas提供） ）。

結(jié)論

PFC已經(jīng)成為能量收集中日益重要的功能，不僅要滿足法規(guī)要求，還要確保最大的電源效率和質(zhì)量。對于許多能量采集設(shè)計(jì)，基本的CRM PFC IC提供了實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正所需的功能和低功耗性能的組合，同時(shí)具有最少的附加組件和復(fù)雜性。在某些情況下，可以利用用于滿足應(yīng)用要求的集成MCU來提供簡單的PFC解決方案。