原标题：何时以及如何使用无桥图腾柱功率因数校正

　　高功率因数 (PF) 和高效率是服务器、网络、5G 电信、工业系统、电动汽车和一系列其他应用中使用的 AC-DC 电源的关键要求。然而，电源设计人员面临的挑战是同时满足 IEC 61000-3-2 等标准的 PF 和电磁兼容性 (EMC) 要求，以及 EnergyStar 最新的 80 PLUS Titanium 效率标准。后者要求在 10% 负载时的最低效率为 90%，在满负载时的效率为 94%。传统的升压 PF 校正 (PFC) 拓扑可以提供高 PF 和良好的 EMC，但包括效率相对较低的二极管电桥，因此难以满足预期的效率标准。

　　用无桥图腾柱 PFC 拓扑代替二极管桥可提供高 PF 和高效率。然而，这会带来更大的复杂性，因为该拓扑结构包括两个控制回路：一个以线路频率运行的慢速回路用于整流，一个用于升压部分的高频回路。从头开始设计两个控制回路是一个耗时的过程，可能会延迟上市时间，并导致解决方案的成本更高、规模更大。

　　为了应对这些挑战，设计人员可以转而使用针对无桥图腾柱 PFC 设计进行优化的 PFC 控制器 IC。这些控制器具有内部补偿数字环路，无需霍尔效应传感器即可实现逐周期电流限制，并可与硅 MOSFET 或宽带隙 (WBG) 开关器件一起使用，例如碳化硅 (SiC) 或氮化镓(氮化镓)。由此产生的 PFC 可以在 90 至 265 伏交流电的输入下运行，效率高达 99%。

　　本文简要回顾了 AC-DC 电源需要满足的行业标准，比较各种 PFC 拓扑的性能，并确定无桥图腾柱 PFC 何时是最佳选择。然后介绍了onsemi为无桥图腾柱 PFC 使用而优化的控制器 IC，以及支持组件、评估板和设计建议，以加快开发过程。

　　效率可能很复杂

　　电源效率比最初看起来要复杂得多，因为它包括交流和直流分量。简单的效率是输入功率与输出功率的比值。然而，典型 AC-DC 电源的输入功率并非纯正弦波，导致从交流电源汲取的同相和异相功率之间存在差异。这种差异被认为是 PF。要完整描述 AC-DC 电源的效率，需要包括 DC 效率和 PF。为了使其更具挑战性，效率曲线并不平坦：效率和 PF 会随着输入电压和输出负载等参数而变化。

　　考虑到这些变量，能源之星等效率标准定义了不同负载水平和不同输入电压下的效率，以及对 PF 的要求(表 1)。最

高级别，称为“80 PLUS Titanium”，指定在 10% 和 100% 额定负载下 90% 的 115 伏交流输入的最低效率，在 50% 额定负载下的 94% 效率，加上 ≥95 的 PF % 在额定负载的 20% 时。230 伏交流输入需要更高的效率。此外，电源有望满足 IEC 61000-3-2 的要求，该标准对电力线谐波进行了限制。

　　表 1：能源之星等性能标准包括对 PF 和效率的要求。(表源：onsemi)

　　PFC 有两种常见的方法：基于二极管整流的升压转换器;以及基于有源整流的更复杂、更高效的图腾柱拓扑(图 1)。升压转换器 PFC 可以满足基本的 PF 和效率要求，但不足以满足 80 PLUS Titanium 等严格要求。例如，在升压 PFC 中，DC-DC 级可能有 2% 的损耗，线路整流和 PFC 级有 1% 的损耗(在低线路运行时可能上升到近 2%)。由于低压线路损耗接近 4%，因此在 230 伏交流输入和 50% 负载下满足 96% 效率的 80 PLUS Titanium 要求具有挑战性。在需要最高效率水平的应用中，可以通过用同步整流替换二极管整流器来降低 PFC 级的损耗。

　　图 1：两种常见的 PFC 拓扑包括基本升压转换器(左)和图腾柱(右)。(图片来源：onsemi)

　　在上面的图腾柱 PFC 中，Q3 和 Q4 是在线路频率下实现同步整流的慢腿，而 Q1 和 Q2 形成将整流电压提升到更高水平的快腿，例如 380 伏直流电。虽然可以为 Q1 和 Q2 使用低导通电阻 (R ON ) MOSFET 来实现图腾柱，但由于 MOSFET 的反向恢复导致的高频开关损耗会降低效率。因此，在许多图腾柱 PFC 设计中，Q1 和 Q2 硅 MOSFET 被反向恢复损耗很小或没有的 SiC 或 GaN 功率开关所取代。

　　优化控制

　　设计 PFC 时的另一个决定是控制技术的选择。PFC 可以在连续传导模式 (CCM)、不连续 (DCM) 或临界传导 (CrM) 模式下运行。这些模式因升压电感器(图 1 中的 L1)的工作特性而异。CCM 充分利用了电感并保持较低的导通损耗和磁芯损耗，但 CCM 是硬开关，具有更高的动态损耗。DCM 在低功率运行时可能很有效，但会受到相对较高的峰值和 rms 电流的影响，从而导致电感器中的导通损耗和磁芯损耗较高。

　　CrM 可以在高达几百瓦的设计中提供更高的效率。借助 CrM，可以监控线路电压和负载电流的变化，并调整开关频率以在 CCM 和 DCM 之间运行。CrM 具有低导通损耗，并将峰值电流限制为平均电流的两倍，从而将导通损耗和磁芯损耗保持在合理水平(图 2)。

　　图 2：CrM PFC 升压电感器峰值电流 (Ipk) 被限制为输入线路电流的两倍。(图片来源：onsemi)

　　但是，使用 CrM 存在一些挑战：

　　这是一种硬开关拓扑，升压器件的正向恢复会增加一些损耗，并可能导致输出电压过冲。

　　在轻负载时，它以非常高的频率运行，增加了开关损耗并降低了效率。

　　有四个有源器件需要控制，此外还需要检测 PFC 电感中的零电流并调节输出电压。

　　CrM 可以使用电路内传感器和微控制器 (MCU) 来实现，以执行复杂的控制算法。对算法进行编码以解决上述性能挑战是有风险且耗时的，可能会延迟上市时间。

　　无代码图腾柱

　　为了解决这些问题，设计人员可以求助于 onsemi 的NCP1680ABD1R2G混合信号控制器，该控制器提供集成的无代码 CrM 图腾柱 PFC 解决方案。SOIC-16 封装控制器符合 AEC-Q100 标准，适用于汽车应用，具有低损耗、低成本、电阻式电流感应功能，无需霍尔效应传感器即可实现逐周期限流保护(图 3) . 内部补偿的数字电压控制环路优化了整个负载范围内的性能，简化了 PFC 设计。

　　图 3：NCP1680 CrM 控制器使用低成本且高效的电阻式电流感应(原理图右下角的 ZCD)。(图片来源：onsemi)

　　高速栅极驱动器

　　NCP1680 控制器可与 onsemi 的 4 x 4 毫米 (mm) 15 引脚 QFN 封装的NCP51820 高速栅极驱动器配对。它设计用于半桥拓扑中的栅极注入晶体管 (GIT) GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 和增强模式 (e-mode) GaN 功率开关(图 4)。

　　图 4：NCP1680 控制器(左)可与 NCP51820 高速栅极驱动器(右)配对，以驱动图腾柱 PFC 中的 GaN 功率器件。(图片来源：onsemi)

　　例如，NCP51820AMNTWG具有短且匹配的传播延迟，以及 -3.5 伏至 +650 伏(典型值)的高侧驱动共模电压范围。驱动级具有专用的稳压器，以保护 GaN 器件的栅极免受电压应力。NCP51820 栅极驱动器包括独立的欠压锁定 (UVLO) 和热关断保护。

　　为了加快上市时间，设计人员可以使用NCP51820GAN1GEVB评估板 (EVB)。此 EVB 可帮助设计人员探索 NCP51820 驱动器的性能，以有效驱动图腾柱配置中的两个 GaN 电源开关。NCP51820GAN1GEVB 采用四层千分之 1310 英寸 (mil) x 1180 mil 印刷电路 (PC) 板设计。它包括 NCP51820 GaN 驱动器和两个采用半桥配置的 e-mode GaN 电源开关(图 5)。

　　图 5：NCP51820GAN1GEVB EVB 包括一个 NCP51820 驱动器和两个采用半桥配置的 E-mode GaN 开关。(图片来源：onsemi)

　　设计建议

　　在使用这些 IC 时，设计人员可以遵循一些简单的设计建议来实现最佳性能。例如，为了防止噪声耦合到信号路径并意外触发 NCP51820 栅极驱动器，onsemi 建议直接在栅极驱动器 IC 的输入端过滤来自 NCP1680 的控制信号(PWMH 和 PWML)。一个 1 千欧 (kΩ) 电阻器和一个 47 或 100 皮法 (pF) 电容器直接放置在驱动器的引脚上可以提供足够的滤波(图 6)。

　　图 6：在 NCP51820 栅极驱动器 IC 的输入端过滤来自 NCP1680 的 PWMH 和 PWML 控制信号可以防止噪声影响，例如 NCP51820 的意外触发。此处使用 1 kΩ 电阻器(左中)和 47 pF 电容器(右中)完成滤波。(图片来源：onsemi)

　　NCP1680 的跳过/待机模式可实现非常好的空载和轻载性能，但它必须通过脉冲 PFCOK 引脚或将 SKIP 引脚接地并与NCP13992 谐振模式控制器接口从外部触发(图 7)。接口电路的元件值应与 NCP1680 EVB 上的元件值相似。正常工作时，NCP13992 谐振模式控制器上的 PFCMODE 引脚与控制器的 VCC 偏置电压相同。当转换器进入跳跃模式时，它会向地脉冲。要进入跳跃模式，PFCOK 引脚必须低于 400 毫伏 (mV) 超过 50 微秒 (μs)。

　　图 7：在 NCP1680 中调用跳过/待机模式所需的外部触发电路示例。(图片来源：onsemi)

　　结论

　　使用典型的升压转换器 PFC 拓扑同时满足最新 EnergyStar 标准(例如 80 PLUS Titanium)的效率、EMC 和 PF 要求可能具有挑战性。设计人员可以改为使用图腾柱 PFC 拓扑。如图所示，使用 NCP1680 混合信号控制器，以及来自 onsemi 的支持组件(例如 NCP51820 栅极驱动器、评估板以及一些设计最佳实践)，设计人员可以快速实施 CrM 图腾柱 PFC 解决方案，同时符合要求的标准。