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- 1、pfc原理
- 2、主动式PFC开关电源原理简介及维修要点
1、pfc原理
1、PFC电路的工作原理是由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。
2、自从用电器具从过去的感性负载(早期的电视机、收音机等的电源均采用电源变压器的感性器件)变成带整流及滤波电容器的容性负载后，其功率因素补偿的含义不仅是供电的电压和电流不同相位的问题，更为严重的是要解决因供电电流呈强脉冲状态而引起的电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。
2、主动式PFC开关电源原理简介及维修要点
一、为什么需要设置PFC电路
PFC(powerfactorcorrection)即为功率因数校正，它定义为有用功率和视在功率的比值。开关电源(SMPS)的功率因数校正，是一项非常重要的技术，近年来，随着大屏幕平板电视在我国迅速发展和环保节能要求，功率因数校正电路应用日益广泛，已经变成用电设备强制的环保认证。大家知道，在纯电阻电路中，输入电压波形和电流的波形是保持一致的，功率因数为1，在非纯电阻电路中，电压波形和电流的波形之间存在相位差φ，在电压和电流波形不存在畸变即无谐波失真的情况下，功率因数由两者的相位差决定，等于COSφ。八十年代以后，随着所谓的“离线开关电ofilineSMPS”（离线的意思是直接来自于线路整流的意思）的大量使用，市电经过直接整流后接一个大的滤波电容以获得初步的直流电压，线路的输入电流就为一个个尖锐的脉冲，这种尖的脉冲包含很多谐波分量。谐波会产生两个严重后果：一方面会对线路产生很大的EMI(电磁干扰)，谐波电阻损耗引起的二次效应甚至导致电网的电压波形在峰值附近产生下陷畸变．对电网造成很大的污染：另一方面虽然电流的基波和电压是同桐的，但谐波分量会使电路的功率因素大大下降（约0.5~0.7）。功率因数PF=COSφ/根号(1+THD的平方)，其中φ为输入电压和基波分量的相位差．THD为谐波失真度。我们可以这样理解，用傅里叶级数可以把脉冲电流分解为基波和各谐波分量，输入电压虽然和基波电流是同相位的，但和电流谐波分量的频率是不同的，更谈不上同相位，因而会导致功率因数严重F降．
二、PFC电路的基本结构和工作原理：
上图为未加入PFC电路的整流电路的原理方框图，下图为工作波形。由以上分析我们可以看出．未加入PFC电路的整流电路稳定工作以后，只有在市电电压的正负峰值附近二极管才导通，产生脉冲电流。造成离线电源功率因数降低的原因在于电流的导通角太小，在半个周期内远远小于180°，提高功率因数就要设法使电流的波形在整个周期内追踪电压的波形。
既然造成导通角太小的原因是整流器后面接人的大容量滤波电容，有源PFC电路基本思想就是在整流器和大容量滤波电容之间加入一级初级调整，把两者进行隔离，此PFC初级调整变换器输出一个基本稳定的DC电压，同时其输入电流能按照和市电一样的正弦规律变化。
下图所示电路为加入PFC电路的基本结构和工作原理。通过比较，我们可以比较明确看出PFC电路在电源电路结构中的位置和作用。尽管PFC电路的具体形式繁多，不尽相同，工作模式也不一样（CCM电流连续型、DCM不连续型、CRM临界型），但基本的结构大同小异，大部分都是采用升压的boost拓扑结构，因为这种电路形式优点比较多。这也是一种典型的升压开关电路，基本的思想就是前面说的把整流电路和大滤波电容分割，通过控制PFC开关管的导通使输入电流能跟踪输入电压的变化。工作原理并不复杂，彻底搞清楚这个基本电路的原理，就能触类旁通，给独立分析电路打下基础。在这个电路中．PFC电感L在MOS开关管0导通时储存能量，在开关管截止时．电感L上感应出右正左负的电压，将导通时储存的能量通过升压二极管Dl对大的滤波电容充电，输出能量，只不过其输入的电压是没有经过滤波的脉动电压。值得注意的是，平板电视大部分PFC电感L上大都并联着一个二极管D2，该二极管D2具有保护作用。
大家知道：PFC电路后面大的储能滤波电容C和PFC电感L是串联的，由于电感L上的电流不能突变，就对大的滤波电容C的浪涌电流起了限制作用。
并联保护分流二极管D2．由于没有电感的限制作用，对滤波电容的冲击反而会更大，但它可以保护升压二圾管，特别是PFC开关管。Dl是快速恢复二极管（由于开关管是在电感电流不为零的时候关断的，需要承受更大的应力，要求二极管有极低甚至为零的反向恢复电流），承受浪涌电流的能力较弱。减小反向恢复电流和提高浪涌电压承载力是相互牵制的，而D2所采用的是普通的整流二极管，承受浪涌电流的能力很强，如1N5407的额定电流3A．浪涌电流可达200A。
该保护二极管D2表面上降低的是对PFC电感和升压二极管的浪涌冲击，但实际上还有一个重要的作用：保护PFC开关管。
在开机的瞬间，滤波电容的电压尚未建立，由于要对大电容充电．通过PFC电感的电流相对比较大。如果在电源开关接通的瞬间是在正弦波的最大值时，对电容充电的过程中PFC电感L有可能会出现磁饱和的情况，此时PFC电路工作就麻烦了，在磁饱和的情况下，流过PFC开关管的电流就会失去限制，烧坏开关管。为防止悲剧发生，一种方法是对PFC电路工作的工作时序加以控制，即当对大电容的充电完成以后，再启动PFC电路：另一种比较简单的办法就是在PFC线圈到升压二极管上并联一只二极管旁路。启动的瞬间，给大电容的充电提供另一个支路，防止大电流流过PFC线圈造成饱和，过流损坏开关管，保护开关管，同时该保护二极管D2也分流了升压二极管D1上的电流，保护了升压二极管。另外，D2的加入使得对大电容充电过程加快．其上的电压及时建立，也能使PFC电路的电压反馈环路及时工作，减小开机时PFC开关管的导通时间．使PFC电路尽快正常工作。‘所以，综上所述，以上电路中二极管D2的作用是在开机瞬间或负载短路、PFC输出电压低于输入电压的非正常状况下给电容提供充电路径，防止PFC电感磁饱和对PFCMOS管造成的危险，同时也减轻了PFC电感和升压二极管的负担，起到保护作用。在开机正常工作以后，由于D2右面为B+PFC输出电压，电压比左面高，D2呈反偏截止状态，对电路的工作没有影响，D2可选用可承受较大浪涌电流的普通大电流的整流二极管。在有些电源中，PFC后面的电容容量不大，也有的没有接入保护二极管D2，但如果PFC后面是使用大容量的滤波电容，此二极管是不能减少的，对电路的安全性有着重要的意义。
1、PFC电路的分类
PFC电路按照输入电流的工作情况分为三种模式：CCM电流连续型，DCM电流不连续性和介于两者之间的是TCM临界性。
如下图所示为连续模式的一种类型：平均电流型。平均连续性PFC变换器开关频率固定，周期T不变，占空比随着输入电压的变化而变化，通过PFC电感器和开关MOSEFT的电流在AC线路电压的半个周期内任何时刻都不为零，而是时刻跟随电压的变化轨迹，其平均电流IAC呈正弦波，且保持和AC输入电压同相位。
根据控制方式不同，除了平均电流型以外，CCM模式还分为峰值电流控制和滞后电流控制，共同的特点就是电流连续，不存在断点。一般CCM的PFC变换器可以用于250瓦以上的开关电源，工作在CCM模式的PFC变换器有很低的谐波失真度．THD可达到5%以下。由于其电感电流不会降到零，电感电压变化较小，谐波IIR热损耗较小，有较小的电磁干扰，由于电流的变化幅度小，相比也有较小的磁芯损耗。同DCM方式相比．CCM模式电路相对复杂，而且由于MOSEFT导通不在电感电流为零的时候，二极管的反向恢复电流会产生很大的开关应力，损耗不容忽视，因此需要使用价格较高的快速反向恢复二极管以减小损耗。
2．DCM(discontinuouscurrentmode)电流不连续性
如下图所示为电流不连续性PFC电路的模式．DCM的特点是利用两个开关周期之间的电感电流存在死区。和连续性模式相比，电路设计更容易实现，由于其导通的时候电流为零，所以不必考虑升压二极管的反向恢复电流，对二极管的要求比较低。显而易见，在同样的平均输入电流下，DCM需要较高的峰值电感电流，因而需要选用大的功率器件。由于其电流变化幅度较大，峰值较高，电感有较大的磁芯．I2R热损耗较大。谐波失真度THD也比连续型模式的要大，所以电流不连续模式一般只用于相对较小功率的开关电源。和后面提到的CRM临模式相比，其主要优点是可以固定开关频率以限制最大开关频率．使前端EMI滤波器设计简单化。
3．CRM临界模式(critICalmode)
下图为不连续模式的极端情况—一临界模式CRM，输入电流处在连续和不连续的临界点，也称为BCM(boundarycurrentmode)边界型。它兼有CCM和DCM的特点，实际应用较为广泛。和DCM-样．CRM模式需要给控制电路提供一个电流过零点的反馈检测信息，但CRM模式频率可变，电流几乎没有断电。
边界模式CRM中，电流降为零时MOSFET开始导通，而在电流达到设定的参考值时．MOSFET关断．输入电流跟随输入电压变化。CRM的特点是开关频率变化，且在正弦电压过零时频率最高，在正弦电压峰值处的开关频率最低，一旦升压电感器中的电流下降为零，新的开关周期便接着开始而不存在电流死区。
CRM的缺点是在正弦弦过零附近的开关频率相当高，频率变化使EMI比较严重，需要有较复杂的输入滤波器设计。和DCM模式一样，由于开关管导通时电流为零，因此CRM可降低开关管导通损耗，可以用廉价的升压二极管。和DCM模式相比较而言，CRM峰值电感电流被限制在平均电流的2倍的数值上，低于DCM的峰值电感电流，从而可以选用电流容量较小的功率MOSFET，用较小尺寸升压电感器。
CRM模式应用广泛，工作在CRM模式的芯片比较多，诸如：飞兆(Faimhiid)半导体公司的KA7525、KA7526、KA7527，意法半导体(ST)公司的L6560、L6561、L6562、L6563，德州仪器(TI)公司的UC3852、UCC28050、UCC38050，德国西门子(SimensAG)公司的sTR4862、STR4863，三肯公司(Sanken)的STR-E1555、STR-E1565等等。值得注意的是有一些芯片，如安森美半导体（ONSemicollductor）的NCP7601可在CRM和DCM下工作，具有两种模式的优点。它在AC线路输入电压过零附近采用DCM控制方案，此时由于对开关频率进行了限制，因此容易解决EMI问题。
而在正弦波峰值附近，为避免较大的峰值电感电流，电路则采用CRM控制方法，这样可以使用参数较小的电感、MOSFET和升压二极管，不仅降低了成本，而且提高了系统的可靠性。大家知道低功率的开关电源(低于150W)，常常采用CRM或DCM方案。CRM能最优化满载效率，而DCM在减少EMI方面有优势，NCP1601正是集两种方案的优点于一身。NCP1601在DCM和CRM下工作并不会使功率因数下降，因而是一种创新的控制方案。其电流波形如下图所示。
三、PFC电路维修特点
尽管PFC各种电源管理芯片的种类很多．电路特点也不尽相同，但这些复杂的控制过程都集成在芯片内部，外围的电路也越来越简单，使维修更容易。
从本质上来讲，PFc开关电源和PWM开关电源是两个独立的电源，但完全可以借鉴大家熟悉的开关电源的维修经验，从维修的大的思路上可以作为两个独立的开关电源来维修。重点考虑的还是开关管、升压二极管、芯片供电电路、整流滤波电容和几个取样电路的元件。要明确的是PFc开关电源的输入是市电整流的脉动电压，负载是PWM开关电源的输入（具有负阻特性，电压升高，电流减小，电压降低，电流增大），PWM开关电源的输出是+B负载，所以，要分段进行考虑。检修PFC电源，也可断开PWM电源接假负载缩小范围，按常规思路维修。由于PFc输出电压较高（380V左右），用两盏普通市电灯泡串联做假负载，后级PWM电源的负载，可用12V（30W一60W）的直流灯泡，可根据功率和电压要求串、并联使用。
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