24小时联系电话:18217114652、13661815404
中文
技术专题
电源系统的PFC电路设计和布局
就像我们希望的那样，输入到PCB的电源并不总是干净的DC或正弦信号。来自整流器的直流电将在输出电容器上产生一些纹波，交流电信号可能包含噪声或不完美的正弦波。有一些方法可以纠正这些问题，方法是选择正确的滤波电路，或者对输入波进行整形以产生向系统负载输出的最大功率。
如果您使用的是交流电源系统，则可能需要功率因数校正（PFC）来减少电源上的电流/功率消耗或增加负载的可用功率。虽然PFC电路可用作IC，但它们不能满足更高电压/更高电流系统的需求。您需要在PCB上拥有自己的PFC电路设计和布局，以将功率因数提高到接近1。这是设计和模拟自己的PFC电路的方法，我们将为您提供有关PFC电路的一些布局提示。
什么是功率因数校正？
电源的功率因数是实际有功功率与视在功率的比值（RMS伏特和安培），范围为0到1。连接到AC电源的电源电路中的典型开关调节器一旦输入电压接近峰值，使用整流器的整流器将以小脉冲形式吸收电流。从输入线汲取的电流与正弦电压波形的偏差越大，功率因数就越小。功率因数基本上是功率效率的另一个指标。
例如，假设调节器的效率为96％；如果整个电源的功率因数为60％，则实际效率为96％x 60％= 57.6％。使用PFC电路设计的目的是使功率因数尽可能接近1。当功率因数接近于1时，实际消耗功率将接近于使用理想RMS输入电压和电流计算出的视在功率。
如果您打算在欧洲销售新产品，则需要确保在电源中使用PFC。最重要的法规是EN61000-3-2，该法规适用于输入功率至少为75 W且在服务入口处可上拉至16 A的电源系统。该法规还对总谐波失真（THD）设置了限制，直到在稳压器输入端测量到的第39次谐波。这说明了PFC电路的另一个好处。功率因数较大的电源在直流稳压器输入端的THD接近于零。
PFC电路设计与拓扑
PFC转换器可以采用升压或降压拓扑结构实现。还有降压-升压拓扑结构，尽管它不如通常需要升高或降低输入电压并将其稳定在恒定水平上那样流行。降压和升压两个版本如下所示。如果这些电路图符合您期望的标准降压或升压DC-DC转换器，那么您是正确的！总体电路图是相同的，但是这些电路的组件选择会影响该电路提供的功率因数增加。
具有升压和降压拓扑结构的PFC电路设计。
那么，PFC电路与典型的开关稳压器有何不同？PFC电路设计中的关键点是选择正确的运行模式，这涉及在该电路中选择正确的电感器。电感将确定在MOSFET导通时，随着输入电压的升高，流经电感的电流增加的速度。MOSFET关断后，电感器提供反电动势，然后将更多电流引向负载。
电感纹波波形由电感的大小决定，就像典型的开关稳压器一样。当电感器较小时，纹波将较大。通过将PWM或PFM脉冲施加到MOSFET来维持对波形的控制。下面显示的三种PFC电路模式由电感器大小和应用于MOSFET的调制类型决定。下表总结了每种模式下的调制和电流特性。
PFC电路模式。蓝色：电感电流；红色：平均电流。
|
模式 |
调制 |
当前特性 |
|
CCM |
脉宽调制 |
平均电流接近于具有低纹波的理想正弦电流，请使用高速SiC肖特基二极管来提高效率。最适合最高功率输出。 |
|
铬 |
PFM |
与理想电流相比，平均电流更低，纹波更高，开关损耗更低，因为MOSFET的循环更接近于真正的关断状态。最适合中等功率输出。 |
|
DCM |
PWM或PFM |
与理想电流相比，平均电流最低，纹波最大，开关损耗最小，因为MOSFET可以完全关闭。最适合低功率输出，就EMI而言最差。 |
为了将PWM或PFM正确地提供给开关MOSFET，您需要对PWM / PFM控制器实施反馈环路。即使在高电压下，也有一些专用IC可以用于此目的。
PFC布局：像大功率开关稳压器一样对待
在使用任何开关转换器时，要记住的最重要的一点是考虑隔离开关噪声。来自嘈杂的开关调节器或PFC电路的任何噪声，特别是在大电流下，都会产生强磁场，该磁场会在下游电路中感应出噪声信号。请注意，电流隔离可以消除传导的EMI，但不能消除辐射的EMI，因此您需要使用用于低级电路的隔离结构（例如通孔围栏或屏蔽）来防止任何感应噪声。对于高压电源和低功耗电子产品中的稳压器IC而言，这一直是电源设计中的众所周知的问题。
其他要考虑的因素是设计PWM信号或PFM信号，堆栈设计以及其他降低辐射EMI的技术。在高压下工作时，还需要确保在PCB布局中的导电元件之间设置适当的间距，以防止ESD。这些间隙在IPC-2221标准中定义。查看这些文章以了解更多信息：
SMPS电路设计：使用哪个开关频率？
抑制IoT产品中DC-DC转换器EMI的一些技术
平面间电容和PCB堆叠
使用IPC-2221计算器进行高压设计