如何选择最优的190 W纤薄PFC电源段方案？

　　大多数功率因数校正(PFC)电源段采用临界导电模式(CrM)工作，这种模式控制电感电流从零跃升至期望的峰值电平，然后又降至零。由于这种模式依赖于电流周期的时长，故开关频率以交流线路电流需求的函数形式变化。不利的是，功率需求较低时，从交流线路流入的电流较小，开关频率“飙升”。这样一来，采用大电感就是将开关损耗和干扰降到可接受水平的唯一方式。

　　频率钳位临界导电模式(FCCrM)是安森美半导体NCP1606或NCP1631等控制器嵌入的一种技术。采用这种模式工作时，在高负载条件下，功率因数校正段以CrM工作，但在中等负载/轻载条件下( )，限制开关频率以提升能效。与传统CrM电路相比，FCCrM支持使用更小的电感(见参考资料[1])。实际上，交错式FCCrM PFC似乎进一步缩减了磁性元件的尺寸及成本。这些优势在190 W低高度电源中得以展现。

　　本文在参考资料[1]所示文章基础上进一步推进研究，在相同的190 W宽主电源输入范围、最大厚度13 mm的应用中探究总体PFC成本问题。

　　电感考虑事项表1重提了参考资料[1]的主要结论。由于FCCrM钳位开关频率，就不需要大电感来拉低CrM开关频率范围。因此，FCCrM大幅减小PFC段电感尺寸，采用交错式FCCrM方案时尤为如此。事实上，如表1所述，可以选择下述磁性元件用于190 W(输入功率)、宽主电源范围、最大厚度13 mm的电视应用：

　　•CrM方案：两个EFD30串联

　　•FCCrM方案：单个EFD30

　　•交错式FCCrM方案：两个EFD20(每个支路一个)

　　横向比较

　　下一步，为了比较不同方案，我们以300 W的46英寸液晶电视电源参考板(见参考资料[2])作实验来比较这三种PFC方案。此参考板由安森美半导体开发，嵌入了由NCP1631(见参考资料[3])驱动的FCCrM交错式PFC。我们利用这电路板来比较我们190 W应用的三种方案。由于本应用中集成的电感与表1中定义的电感不同(本应用中原线圈尺寸针对的是300 W功率)，首要修改此应用，确保能够使用2个EFD20元件。第二步， 动态地调节电路，测试CrM和FCCrM单相方案。就每项测试而言，PFC段的设计要使得三种方案的能效保持在接近相同的水平。

　　在图1中，我们可以看到采用调整后的交错式配置的电路板，这可从两个“飞跨”(flying)电感得到证实；图2显示的则是如何应用CrM控制器(即NCP1607，见参考资料[4])，而非原有的NCP1631交错式驱动器。

　　各种方案参数对比

　　不同的方案中，电感并不必然是唯一需要修改的元件。PFC段必须根据所测试的方案来调整。表2小结了构建这三种方案使用的经过了实际测试验证的主要设计指引。

　　交错式PFC包含两个支路，每个支路各传输总功率的50%。因此，这种方案采用的元器件数量更多，但尺寸更小。为了简单起见，这里就不具体的交错式设计准则。但如参考资料[5]中所详细介绍的，交错式技术能够优化下列元器件：

　　-功率MOSFET：在每个支路，MOSFET均方根(rms)电流仅为单相CrM或FCCrM PFC段中使用的11 A MOSFET的电流的一半。两颗5 A MOSFET替代了11 A MOSFET。

　　-升压二极管：同样，每个支路的升压二极管传输的电流是总电流的一半。因此，各个支路就有可能使用较小的MUR160。

　　-大电容：交错式方案迫使两个支路异相(out-of-phase)工作，旨在大幅降低大电容的均方根电流(降至0.8 A而非1.3 A)。这样，就可能使用2个39 µF/450 V电容，而非3个。

　　-电磁干扰(EMI)滤波器：交错式方案也削弱了电流纹波。例如，根据参考资料[5]所示，在典型宽主电源电压应用中，峰值到峰值纹波在0至60%之间变化。减小的纹波简化了差模滤波。如图3所示，交错式PFC采用了10 µH电感来通过EN55022规范，而单相CrM(或FCCrM) PFC要求使用50 µH差模线圈。

FCCrM与CrM单相方案采用几乎相同的功率元器件，因为它们在重负载条件下采用相同方式工作，器件的参数也是针对重负载条件工作而选定的。但如前所述，FCCrM方案中使用的电感尺寸更小。(单FCCrM方案段中)使用了单个200 µH EFD30线圈，而非两个串联的200 µH EFD30线圈。显而易见的是，控制器也变了。CrM方案采用NCP1607驱动(见参考资料[4])。为了方便起见，没有使 用特别控制器来测试FCCrM单相方案，相反，我们复用了参考板中使用的NCP1631交错式FCCrM控制器，只是简单地关闭驱动第二个支路的输出，从而获得单相FCCrM工作。

小结

　　表3小结了三种方案的设计差别，其中根据所选择的方案列举了可能选择的主要元器件，其中包括控制器(单相方案中采用了专用FCCrM控制器NCP1605而非NCP1631)。根据这些设计差别推算成本优劣势，可以看出交错式方案是性价比最高的方案。单相FCCrM是成本第二低的方案，而传统CrM方案成本最高！如果以CrM方案作为参照，其它方案提供的优势小结如下(见表1)：

　　表3-FCCrM单相方案少用一个EFD30电感

　　-FCCrM交错式方案也减小磁性元件(使用两个EFD20而非两个EFD30)， 但进一步节省一个39 µF/450 V电容，从而能够使用较小的差模扼流圈，并采用更小、更便宜的MOSFET及升压二极管工作。

　　计算出精确的成本优势很困难。但是，仍然以CrM方案作为参照，并顾及(大批量)消费市场的成本结构，可以粗略估计出交错式PFC方案具有0.5美元的成本优势，而(单相式)FCCrM的成本优势减半。

　　FCCrM单相及交错式方案总体上更便宜，尽管用于驱动它们的控制器(分别是NCP1605和NCP1631)成本更高。这两款IC集成了比NCP1607 CrM控制器更多的功能，如输入欠压保护、待机管理功能，或在大电压不是额定值时关闭下行转换器的“pfcOK”信号。这些额外特性能够帮助最终应用节省元器件，因此进一步增强FCCrM单相及交错式方案的成本优势。

　　结论

　　虽然通常人们认为单相CrM方案是200 W及以下功率应用最便宜的PFC方案，但本文的研究显示，FCCrM交错式方案实际上是我们所举190 W应用性价比最高的方案。当我们仔细考虑其特别优势时，这个结论完全不奇怪。交错式方案要求更多的元器件，但它们尺寸更小，成本更低。此外，输入及输出电流纹波减小也支持使用更廉价的EMI滤波器及大电容。最后，FCCrM工作大幅减小电感尺寸，这种特性使得单相FCCrM方案优于单相CrM方案。显而易见的是，这些研究结论尤为适用于低高度(13 mm)装置，但在元器件选择灵活度更高的其它应用中仍然适用。

　　参考资料

　　[1] 《减小电感尺寸，设计纤薄的PFC段》，《电子设计技术》2010年9月刊， http://article.ednchina.com/Other/Reduce_the_inductor_size_the_design_of_the_PFC_power_supply_section_of_thin.htm

　　[2] 参考设计，http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/TND401-D.PDF

　　[3] NCP1631数据表，http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/NCP1631-D.PDF

　　[4] NCP1607数据表，http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/NCP1607-D.PDF

　　[5] “交错式PFC特性”，应用注释AND8355，http://www.onsemi.cn/pub/Collateral/AND8355-D.PDF