功率因数校正在能量收集系统功效和质量方面的应用

在任何配电系统中，非电阻性负载会导致电流和电压异相移动，从而导致能量作为无功功率损失。虽然在纯阻性负载的情况下电流和电压将保持同相，但感性负载存储无功功率并导致电流滞后于电压，并且容性负载导致电流引导电压。当电流波形不跟随电压波形时，不仅功率损失，而且所产生的谐波可以通过配电系统，从而破坏其他连接的设备。

随着电流和电压波形越来越接近，所有功率都包含在基频中，谐波降至零。功率因数校正（PFC）用于控制电流以匹配电压的形状和相位，通过有效地将负载转换为纯电阻来最大化来自电源的实际功率。

在微观层面，功率因数校正为能量收集电路的设计者提供了直接的好处。用于从环境源获取能量的功率调节电路经常导致电流输出中的谐波，导致功率损耗。在这些情况下，线性稳压器的使用导致在最佳工作范围之外工作时效率降低，而开关稳压器的使用可能引入额外的设计挑战，以解决可能限制最佳功率输出的稳定性问题。 PFC电路旨在解决这些挑战。

因此，功率因数校正（PFC）在最大化实际功率和保持其质量方面发挥着关键作用。控制谐波电流的最简单方法是使用仅以线路频率传递电流的滤波器。该滤波器降低了谐波电流，这意味着非线性器件现在看起来像线性负载。此时，可以根据需要使用电容器或电感器使功率因数接近一致。该滤波器需要大尺寸，高电流的电感器，这些电感器体积大且价格昂贵。

与无源PFC方法不同，有源方法以最少的元件数量和成本实现PFC。利用各种集成器件，设计人员可以使用Cirrus Logic，Freescale Semiconductor，Fremont Micro Devices，Linear Technology，ON Semiconductor，Renesas，STMicroelectronics，Texas Instruments和Toshiba等制造商的IC轻松实现能量采集应用中的PFC，等等。

降低损耗

在典型的电源电路中，功率因数校正电路位于整流器和输出存储电容之间（图1）。虽然功率因数可以通过无源元件进行校正，但有源功率校正为许多设计提供了更小，更有效的解决方案。

图1：有源功率因数校正电路位于整流器和存储电容器组件之间，以确保电流波形的形状和相位与电压波形相匹配（感谢ON）半导体）。

传统的PFC电路可以构建为在不连续或连续模式下工作，其中电流在每个周期（不连续）期间接通和断开，或者电流从未达到零（连续）。临界传导模式（CRM）是一种混合型，在不连续和连续模式之间运行。 CRM消除了不连续模式在循环之间施加的死区时间，直到电流重新打开为止。同时，与连续模式相比，它允许电流返回到零。这些属性及其相对简单性使CRM PFC非常适合能量收集等低功耗应用，设计人员可以从各种CRM PFC IC中进行选择。

对于低功耗应用，设计人员可以转向基本的CRM PFC器件，包括飞思卡尔半导体FAN7527BN，Fremont Micro器件FT821，安森美半导体MC33262，STMicroelectronics L6561，德州仪器UCC28051D和东芝TB6819AFG等。为了实现PFC，这些基本器件通常依靠门控信号来打开和关闭功率MOSFET，从而产生匹配形状和相位电压波形所需的电流波形（图2）。

图2：基本CRM PFC IC通常通过门控电感电流来提供塑造电流波形所需的功能（由Fairchild Semiconductor提供）。

此类设备通常结合了误差放大器，零电流检测器，开关电流传感器，输入电压传感器和开关驱动器，只需几个外部元件即可实现完整的PFC解决方案。此外，这些器件通常还包括用于过压保护，欠压锁定，欠压检测和其他故障的内置电路。

在差异化因素中，这些产品具有不同的工作电流水平和性能特征。对于他们的L6561，STMicroelectronics包括带有线性乘法器的特殊电路，以减少输入电流失真，从而在各种负载条件下提供低THD。对于他们的FAN7527BN，飞兆半导体使用精密双输入乘法器，在宽动态范围内具有严格的线性度，以确保在各种工作条件下的PFC性能。

工程师可以找到设计有特殊功能的CRM PFC IC，旨在支持高效的电源设计。凌力尔特公司的LT3798包括能够检测初级侧反激信号输出电压的电路，无需光隔离器或信号变压器进行反馈。

对于他们的FAN6920MR，飞兆半导体集成了一个准谐振PWM控制器，旨在减少过零时的输入电流失真，从而提高总谐波失真（THD）性能。此外，这种配置有助于降低开关损耗，实现高效运行。

数字控制

基于数字的PFC解决方案具有广泛的优势，包括消除由于元件公差和老化引起的不准确性。设计人员可以优化算法参数以获得所需的性能水平，而不是修剪外部组件来调整PFC性能。

Cirrus Logic CS1501将必要的电流和电压测量电路与执行数字算法的处理器内核相结合，优化MOSFET驱动信号占空比和开关频率以实现PFC。在轻载条件下，CS1501可以间歇性地禁用PFC周期，以提高系统效率。

设计人员还可以使用与构建主应用程序相同的集成MCU内置基本PFC功能。设计人员可以使用集成的MCU（如Renesas V850E，包括ADC，DAC和PWM功能）实现基于数字的基本PFC控制器。在这里，MCU通过控制在PFC级中为主要应用（如电机控制器）形成输入电流所需的门控信号，从而无需PFC IC（图3）。

图3：具有集成ADC，DAC和PWM功能的MCU可以在电源阶段塑造电流波形，无需单独的PFC IC（图片由Renesas提供） ）。

结论

PFC已经成为能量收集中日益重要的功能，不仅要满足法规要求，还要确保最大的电源效率和质量。对于许多能量采集设计，基本的CRM PFC IC提供了实现功率因数校正所需的功能和低功耗性能的组合，同时具有最少的附加组件和复杂性。在某些情况下，可以利用用于满足应用要求的集成MCU来提供简单的PFC解决方案。