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電網以交流電的形式提供電能，但我們使用的大多數設備都需要直流電，這意味著進行這種轉換的交流/直流電源是電網上最常見的負載之一。隨著世界關注能源效率以保護環境和管理運營成本，這些電源的高效運行變得越來越重要。

效率作為輸入功率與提供給負載的功率之間的比率的度量是眾所周知的。然而，輸入功率因數（PF）也有很大的影響。PF 描述了任何交流供電設備（包括電源）消耗的有用（真實）功率與總（表觀）功率（以千伏安為單位）之間的比率。PF 衡量消耗的電能轉換為有用功輸出的效率。

如果負載是純電阻性的，則 PF 將為單位，但負載內的任何無功元件都會降低 PF，使視在功率大于有用功率，從而導致效率降低。

小于 1 的 PF 是由電壓和電流異相引起的——這在感性負載中很常見。這也可能是由于高諧波含量或失真的電流波形，這在開關模式電源（SMPS）或其他類型的不連續電子負載中很常見。

修正 PF

許多沒有功率因數校正（PFC）的 SMPS 比校正后的 SMPS 消耗更高的電流，因此在 70 W 以上的功率水平下，立法要求設計人員整合電路以將 PF 校正到接近于 1 的值。有源 PFC 最常見的技術使用升壓轉換器將整流后的電源轉換為高直流電平，然后使用脈寬調制（PWM）來調節直流電平。

雖然這項技術運作良好且易于實施，但也存在一些挑戰。現代效率標準（例如嚴格的“80+ 鈦標準”）要求在寬功率范圍內具有高效率，并且在 50% 負載時峰值效率高達 96%。由于 PFC 級之后的 DC/DC 轉換器通常表現出 2% 的損耗，因此線路整流和 PFC 級本身只能損耗 2%——這對于橋式整流器中的二極管來說是一個挑戰。

然而，如果用同步整流器代替升壓二極管（D5），則效率會提高。此外，只需要雙線整流二極管，這些二極管也可以是同步整流器（Q3、Q4），這進一步提高了效率。這種技術被稱為圖騰極功率因數校正（TPPFC），有了理想的電感和完美的開關，效率可以接近100%。現代MOSFET具有優異的性能，但即使并聯使用，也達不到理想開關的水平。因此，寬帶隙半導體開關將與TPPFC拓撲結構齊頭并進。

圖1：傳統（左）和（右）無橋TPPFC電路

解決損失

隨著開關頻率越來越高的趨勢，開關器件中的動態損耗會產生更大的影響。這些損耗是由于當MOSFET配置為圖騰極快速支路的開關時，當其體二極管在開關“死”時間內導通且相關存儲電荷必須耗盡時，以及開關輸出電容的充放電時，MOSFET反向恢復。

事實上，硅MOSFET的動態損耗可能非常大，因此設計師越來越多地在TPPFC應用中指定WBG半導體材料，如碳化硅和氮化鎵器件。它們還具有更高頻率的操作和在高溫下工作的能力，這是電力應用中兩個非常有用的特性。

臨界傳導模式（CrM）通常是 TPPFC 的首選傳導模式，尤其是高達幾百瓦的功率，在效率和電磁干擾性能之間提供了良好的折衷。連續導通模式（CCM）進一步降低了開關中的 RMS 電流和導通損耗，使 TPPFC 可用于千瓦級功率應用。

即使使用 CrM，在輕負載時效率也會顯著下降（高達 10%），這在嘗試滿足待機或空載能耗限制時提出了真正的挑戰。一種解決方案是鉗制或“折回”最大允許頻率，從而在輕負載時強制電路進入不連續導通模式（DCM），其中較高的峰值電流低于等效 CrM 實現中的峰值電流。

將 TPPFC 與 CrM 操作和頻率鉗位相結合可提供良好的中等功率解決方案，該解決方案可在整個負載范圍內提供良好的效率，尤其是當 WBG 開關用于高頻支路時。

其他挑戰

解決了效率挑戰后，還有最后一個障礙需要克服：要同步驅動四個有源器件，并且必須檢測電感器的零電流交叉以強制 CrM。該電路必須能夠在需要時自動切換進出 DCM——所有這一切都是在保持高功率因數并生成 PWM 信號以調節輸出的同時完成的。除此之外，還需要電路保護（如過流和過壓）。

一般來說，考慮到所涉及的復雜性，最好的方法是在微控制器中實現控制算法。然而，這種方法可能很昂貴，并且需要生成和調試代碼，這是許多設計人員希望避免的領域。

使用 CrM 的 TPPFC 無代碼解決方案

完全集成的 TPPFC 控制解決方案具有許多優勢，包括高性能、縮短設計時間和降低設計風險，同時無需實現微控制器和相關代碼。

此類集成解決方案之一是 onsemi 的 NCP1680 混合信號 TPPFC 控制器，它以恒定的導通時間 CrM 運行，以確保整個負載范圍內的高效率。NCP1680 在輕負載頻率折返期間具有“谷底開關”功能，可通過在最低電壓下開關來提高效率。數字電壓控制環路經過內部補償，以優化整個負載范圍內的性能，同時確保設計過程保持簡單。