一文搞懂PFC电源原理

如图一所示，图二为电感作用波形，输入电压要求为 90V~265Vac，在 Vd 点则为 127V~375V 直流电压， 由升压电路把输出电压 Vo 升到 400V 的直流，其工作过程如下：

1、 当 Q 导通时，电感上的电压 VL=Vd,此时 Vd、L、Q 形成回路，Vd 对电感 L 充电，回路如图一中虚线所示，此时电感电流ζL 循着同一斜率上升，到 Q 截止为止，工作周期（DT）结束。

2、 当 Q 截止时，电感电压反相且加上 Vd 经由二极管 D 对输出端开始放电，此时电容 C 是成充电状态，且RL 维持 Vo 输出，其中 Vo 之大小为输入电压 Vd 加上电感电压（-VL）的值（由于电感电压反相，-VL 反而是正值），其回路如图一中灰线所示，直到 Q 再度导通为止（即（1-D）T 时间段结束）。

如想要图一中的升压型电路具有功率因数修正功能的话，则 Q 的控制信号必须来自具有功因修正功能的 IC（PFC IC），并要取电压回路和电流回路来做反馈控制，把这些信号回传到 PFC IC 来控制 Q 的导通与截止，进而达到电流波形整形的目的。

PFC IC 分为两种，一种是非连续电流模式功因修正器（DCM PFC），适用于较低功率需求的功因修正。欧洲的能源规范定为 70W 以上的电源供应器必须加装 PFC 电路，DCM PFC 一般使用在 200W 以下。另外一种是连续电流模式功因修正器（CCM PFC），一般使用在 200W 以上到数千 W。

图三 峰值电流控制模式的 DCM PFC

DCM PFC 的控制方式

无论 CCM 或 DCM 的 PFC，其电路结构都是升压电路，其中最大的区别在于控制模式，DCM PFC 一般使用峰对峰值电流控制模式（如图三所示）。此种模式主要是当 AC 输入后，经桥式整流而成的类似 m 形的电压波形，经 R5、R6 分压后，再和一个经由误差放大器（Error Amplifer）放大后的输出信号 Vc 相乘。此举是为了给流经 Rs 的峰值电流一个参考比较的电压 Vm，并且这个电压会随着输入和输出的电压大小而作调整，其中输出电压经由电阻 R3 和 R4 分压后， 经由误差放大器负反馈至乘法器输入端，可使当负载改变时，输出电压仍能保持稳定。

其中较需注意的是，误差放大器在作闭环回路补偿时，其增益频宽要比六分之一倍的市电频率还要低，以避免干扰PFC 电路的主要功能，所以 C1 和 C2 的值通常都不小，约为 uF 级的电容。当乘法器输出 Vm 时，同一时刻的电压波形仍是一个类似 m 形的波形，只是它是已被整理过的参考电压波形，进而输入比较器的正输入端，而与比较器的负输入端 Q 的 S 极电流的波形（即压降在 Rs 上的电压波形 Vs）作比较， 来控制 Q 的开与关，其波形如图四。

图四 DCM PFC 各点的动作波形

起初，当 Q 导通时，输入的直流高压 Vd 对电感 L 充电，使电感的电流ζL 上升（如图四中电感电流波形的 a 到b 点），此时 Rs 上的电压 Vs 也上升，直到 Vs=Vm 时（即 b 点），由于此时比较器（Current Comp）的反相输入端电压高于正相输入端，故 RS 触发器（RS Flip-Flop）的 R 输入端为低电位， 而此时 S 端为高电位，使触发器输出为高电位，使 Qd 导通，而 Vg 为低电位，Q 为截止的状态，电感上电压 VL 反相，加上输入电压 Vd 使二极管 D 导通，开始对输出 RL 和 C5 放电（图中的 b 到c 点），此时负载 RL 仍保持在高电位，而电容 C5 则承受电感放电而呈充电状态，直到电感放电到ζL 值为 0（c 点）为止。

当电感电流ζL 为 0 时，RS 触发器的S 端输入低电平，而 R 端为高电位（因为 Vm>Vs），此时触发器的Q 输出为低电位，使 Qd 截止，Q 的 VGS 为高电位，于是 Q 导通，电感的电压 VL 为正向，输入电压 Vd 供应电流流过电感 L 和Q，对电感 L 充电，故流经电感 L 的电流又继续上升，直到三角波电压 Vs 又碰到 m 形波Vm 为止（c 到 d 段），如此反复，电路以此种峰值电流控制模式的方法来得到ζL 电流波形。

ζL 的波形是由许多大小三角波所组成，它毕竟不是正弦波，故电路中必须加装一个 C3 电容来滤除电感电流中的高频成分，而使输入弦波电流ζ为完整的基本弦波成分，其大小为电感电流ζL 的平均值。基本上的ζL 峰值大概为电流ζ峰值的 2 倍，这可作为选择 Q 的耐电流量参考。

CCM PFC 的控制方式

对于 CCM 的PFC 而言，常用的控制模式是所谓的平均电流控制模式，其控制模式电路如图五所示。

图五 平均电流控制模式的升压型电路

图中的 Vin 为直流电压而 Ip 为直流电流。其各点的电压及电流波形如图六所示。