無橋圖騰柱功率因數校正的使用時機與方法

高功率因數 (PF) 與高效率對於伺服器、網路、5G 電信、工業系統、電動車和其他各種應用中使用的 AC-DC 電源供應器來說，是非常關鍵的要求。然而，電源供應器設計人員遭遇的難題在於，必須同時符合 IEC 61000-3-2 等標準的 PF 與電磁相容性 (EMC) 要求，以及能源之星最新的 80 PLUS 鈦金級能效標準。鈦金級標準要求 10% 負載時的效率最低須達到 90%，滿載時的效率最低須達到 94%。傳統的升壓功率因素校正 (PFC) 拓撲可以提供高 PF 和良好的 EMC，但其內部的二極體電橋效率相對較低，因此難以符合預期的效率標準。

把這個二極體電橋更換成無橋圖騰柱 PFC 拓撲，就能達到高 PF 和高效率。然而，這會讓事情變得更複雜，因為此拓撲包含兩個控制迴路：一個以線路頻率運作、用於整流的慢速迴路，一個用於升壓部分的高頻迴路。若要從頭開始設計兩個控制迴路相當耗時，可能會延誤上市時程，並導致解決方案徒增不必要的成本，且體積過大。

為了因應這些挑戰，設計人員可以改用針對無橋圖騰柱 PFC 設計進行最佳化的 PFC 控制器 IC。這些控制器具有內部補償型數位迴路，無需霍爾效應感測器即可實作逐週期限流，並可搭配矽 MOSFET 或寬能隙 (WBG) 切換元件使用，例如碳化矽 (SiC) 或氮化鎵 (GaN)。如此產生的 PFC 可以在 90 至 265 VAC 輸入下運作，效率高達 99%。

本文將簡短介紹 AC-DC 電源供應器必須符合的業界標準、比較各種 PFC 拓撲的效能，並說明何時最適合使用無橋圖騰柱 PFC。接著，我們會介紹 onsemi 一款非常適合用於無橋圖騰柱 PFC 的控制器 IC，還有相關的支援元件、評估板和設計建議，以加快開發過程。

效率可能比想像的還要複雜

電源供應器的效率往往比表面上看起來還要複雜，因為當中包含 AC 和 DC 元件。簡單來說，效率是指輸入功率與輸出功率的比值。然而，典型 AC-DC 電源供應器的輸入功率並非純粹的正弦波，因此從 AC 市電汲取的同相、異相功率之間會有落差。這種落差就稱為 PF。若要完整描述 AC-DC 電源供應器的效率，必須加上其 DC 效率和 PF。更麻煩的是，效率曲線並不平坦：效率和 PF 可能會隨著輸入電壓、輸出負載等參數而有所變化。

為了將這些變數納入考量，能源之星等效率標準制訂了不同負載程度、不同輸入電壓下的效率，以及對 PF 的要求 (表 1)。最高等級為 80 PLUS 鈦金級，規定 115 VAC 輸入在 10% 和 100% 額定負載時的最低效率應為 90%，在 50% 額定負載時的效率應為 94%，而 PF 在 20% 額定負載時不得低於 95%。230 VAC 輸入則需要更高的效率。此外，電源供應器必須符合 IEC 61000-3-2 對於電源線諧波的限制。

表 1：能源之星等效能標準包含對 PF 和效率的要求。(表格來源：onsemi)

PFC 有兩種常見的作法：採用二極體整流的升壓轉換器，以及更複雜、更高效、採用主動整流的圖騰柱拓撲 (圖 1)。升壓轉換器 PFC 可以滿足基本的 PF 和效率要求，但不足以滿足 80 PLUS 鈦金級如此嚴格的要求。例如，在升壓 PFC 中，DC-DC 級可能有 2% 的損耗，而線路整流和 PFC 級則可能有 1% 的損耗 (於低壓線路操作時可能會上升至近 2%)。由於低壓線路損耗接近 4%，因此很難在 230 VAC 輸入和 50% 負載下達成 80 PLUS 鈦金級所要求的 96% 效率。在需要最高效率等級的應用中，可以用同步整流代替二極體整流器來降低 PFC 級的損耗。

圖 1：兩種常見的 PFC 拓撲，包括基本的升壓轉換器 (左) 和圖騰柱 (右)。(圖片來源：onsemi)

在上面的圖騰柱 PFC 中，Q3、Q4 是以線路頻率實作同步整流的慢速橋臂，而 Q1、Q2 則是將整流電壓升高 (例如 380 VDC) 的快速橋臂。雖然可以在 Q1、Q2 使用低導通電阻 (R_ON) MOSFET 來實作圖騰柱，但 MOSFET 逆向恢復所導致的高頻切換損耗仍會降低效率。因此，在許多圖騰柱 PFC 設計中，Q1、Q2 矽 MOSFET 往往會更換成僅有些微甚至沒有逆向恢復的 SiC 或 GaN 電源開關。

最佳化控制

設計 PFC 時，還必須決定要選擇哪種控制技術。PFC 可以在連續導通模式 (CCM)、非連續導通模式 (DCM) 或臨界導通模式 (CrM) 下運作。這些模式會因升壓電感 (圖 1 中的 L1) 的工作特性而異。CCM 可充分利用電感，並維持低導通損耗及低磁芯損耗，但 CCM 採用硬切換，因此具有更高的動態損耗。DCM 在低功率運作方面頗具效率，但可惜峰值和 rms 電流相對較高，會導致電感的導通損耗和磁芯損耗更高。

CrM 可以在高達數百瓦的設計中提供更高的效率。CrM 可以讓您監測線路電壓和負載電流的變化，還能調整切換頻率以在 CCM、DCM 之間運作。CrM 具有低開通損耗，可將峰值電流限制為平均電流的兩倍，讓導通損耗和磁芯損耗維持在合理程度 (圖 2)。

圖 2：CrM PFC 升壓電感峰值電流 (Ipk) 限制為輸入線路電流的兩倍。(圖片來源：onsemi)

不過，CrM 也帶來一些挑戰：

• 因為這是硬切換拓撲，升壓元件的順向恢復會增加一些損耗，並可能導致輸出電壓過衝。
• 在輕負載時，會以非常高的頻率運作，進而增加切換損耗並降低效率。
• 有四個主動元件需要控制，此外還必須偵測 PFC 電感中的零電流並調節輸出電壓。

實作 CrM 時，必須使用線上感測器和微控制器 (MCU) 來執行複雜的控制演算法。要編寫出能應對上述效能挑戰的演算法，不僅風險高又相當耗時，可能會延誤上市時程。

免編碼圖騰柱

為解決這些問題，設計人員可以採用 onsemi 的 NCP1680ABD1R2G 混合訊號控制器，運用其提供的免編碼整合式 CrM 圖騰柱 PFC 解決方案。SOIC-16 封裝的控制器符合 AEC-Q100 標準，適合汽車應用，具有低損耗、低成本的電阻式電流感測功能，而且無需霍爾效應感測器，即可實作逐週期限流保護 (圖 3)。內部補償的數位電壓控制迴路可將整個負載範圍內的效能最佳化，進而簡化 PFC 設計。

圖 3：NCP1680 CrM 控制器使用低成本、高效率的電阻式電流感測 (線路圖右下角的 ZCD)。(圖片來源：onsemi)

高速閘極驅動器

NCP1680 控制器可搭配 onsemi 的 4 x 4 mm 15 引腳 QFN 封裝 NCP51820 高速閘極驅動器。本產品專門用於半橋拓撲中的閘極注入電晶體 (GIT) GaN 高電子遷移率電晶體 (HEMT) 和增強模式 (e-mode) GaN 電源開關 (圖 4)。

圖 4：NCP1680 控制器 (左) 可搭配 NCP51820 高速閘極驅動器 (右)，驅動圖騰柱 PFC 中的 GaN 功率元件。(圖片來源：onsemi)

舉例來說，NCP51820AMNTWG 具有匹配的短傳播延遲，以及 -3.5 V 至 +650 V (典型值) 的高側驅動共模電壓範圍。驅動級具有專屬的穩壓器，可保護 GaN 元件的閘極免受電壓應力影響。NCP51820 閘極驅動器包含獨立的欠壓鎖定 (UVLO) 和熱關斷保護。

為了讓產品更快上市，設計人員可以使用 NCP51820GAN1GEVB 評估板 (EVB)。此 EVB 可協助設計人員探索 NCP51820 驅動器的效能，有效驅動圖騰柱中的兩個 GaN 電源開關。NCP51820GAN1GEVB 採用四層 1310 mil x 1180 mil 印刷電路板設計。其在半橋配置中整合 NCP51820 GaN 驅動器和兩個 e-mode GaN 電源開關 (圖 5)。

圖 5：NCP51820GAN1GEVB EVB 在半橋配置中整合一個 NCP51820 驅動器和兩個 E-mode GaN 開關。(圖片來源：onsemi)

設計建議

在使用這些 IC 時，設計人員可以遵循一些簡單的設計建議來發揮最佳效能。例如，為了避免雜訊耦合到訊號路徑而意外觸發 NCP51820 閘極驅動器，onsemi 建議直接在閘極驅動器 IC 的輸入端過濾來自 NCP1680 的控制訊號 (PWMH 和 PWML)。將一個 1 kΩ 電阻和一個 47 pF 或 100 pF 電容直接放置在驅動器的引腳上，就可以提供足夠的濾波效果 (圖 6)。

圖 6：直接在 NCP51820 閘極驅動器 IC 的輸入端過濾來自 NCP1680 的 PWMH、PWML 控制訊號，即可避免雜訊帶來的影響，例如意外觸發 NCP51820。此處使用 1 kΩ 電阻 (中左) 和 47 pF 電容 (中右) 達到濾波。(圖片來源：onsemi)

NCP1680 的省略／待機模式可以達到非常優秀的空載及輕度負載效能，但必須從外部觸發，方法是在 PFCOK 引腳施加脈衝或將 SKIP 引腳接地，並連接 NCP13992 諧振模式控制器 (圖 7)。介面電路的元件值應與 NCP1680 EVB 上的元件值類似。正常運作時，NCP13992 諧振模式控制器的 PFCMODE 引腳會與控制器的 VCC 偏壓相同。當轉換器進入省略模式時，則會脈衝至地。若要進入省略模式，PFCOK 引腳必須低於 400 mV 超過 50 μs。

圖 7：啟動 NCP1680 省略／待機模式所需的外部觸發電路範例。(圖片來源：onsemi)

結論

若想使用典型的升壓轉換器 PFC 拓撲同時滿足能源之星最新標準 (例如 80 PLUS 鈦金級) 在效率、EMC、PF 方面的諸多要求，可能不是那麼容易。設計人員可以改用圖騰柱 PFC 拓撲。如本文所述，使用 NCP1680 混合訊號控制器，搭配 onsemi 的支援元件 (例如 NCP51820 閘極驅動器、評估板及一些最佳設計做法)，就可讓設計人員快速實作 CrM 圖騰柱 PFC 解決方案，又能滿足必要的標準。

推薦閱讀

1. 如何在降低成本的同時，提高能源基礎架構的效率和可靠性
2. 使用 SiC 架構 MOSFET 提高電源轉換效率