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本文主要是關(guān)于PFC電源的相關(guān)介紹，并著重對PFC電源的原理及主動(dòng)PFC電源與被動(dòng)PFC電源的不同進(jìn)行了詳盡的闡述。
PFC電源
PFC的英文全稱為“Power Factor Correction”，意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。 基本上功率因素可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因素值越大，代表其電力利用率越高。
簡介
計(jì)算機(jī)開關(guān)電源是一種電容輸入型電路，其電流和電壓之間的相位差會(huì)造成交換功率的損失，此時(shí)便需要PFC電路提高功率因數(shù)。目前的PFC有兩種，一種為被動(dòng)式PFC（也稱無源PFC）和主動(dòng)式PFC（也稱有源式PFC）。
被動(dòng)式PFC
被動(dòng)式PFC一般分“電感補(bǔ)償式”和“填谷電路式（Valley Fill Circuit）” “電感補(bǔ)償方法”是使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù)，被動(dòng)式PFC包括靜音式被動(dòng)PFC和非靜音式被動(dòng)PFC。被動(dòng)式PFC的功率因數(shù)只能達(dá)到0.7～0.8，它一般在高壓濾波電容附近。
“填谷電路式”屬于一種新型無源功率因數(shù)校正電路，其特點(diǎn)是利用整流橋后面的填谷電路來大幅度增加整流管的導(dǎo)通角，通過填平谷點(diǎn)，使輸入電流從尖峰脈沖變?yōu)榻咏谡也ǖ牟ㄐ危瑢⒐β室驍?shù)提高到0.9左右，顯著降低總諧波失真。與傳統(tǒng)的電感式無源功率因數(shù)校正電路相比，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，功率因數(shù)補(bǔ)償效果顯著，并且在輸入電路中不需要使用體積大重量沉的大電感器。
主動(dòng)式PFC
而主動(dòng)式PFC則由電感電容及電子元器件組成，體積小、通過專用IC去調(diào)整電流的波形，對電流電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。主動(dòng)式PFC可以達(dá)到較高的功率因數(shù)──通常可達(dá)98%以上，但成本也相對較高。此外，主動(dòng)式PFC還可用作輔助電源，因此在使用主動(dòng)式PFC電路中，往往不需要待機(jī)變壓器，而且主動(dòng)式PFC輸出直流電壓的紋波很小，這種電源不必采用很大容量的濾波電容。
如何選擇主動(dòng)PFC電源與被動(dòng)PFC電源
PFC是功率因數(shù)校正的縮寫，它主要被用來表示電能得有效利用率。PFC的數(shù)值越大，就說明其對電能的利用率越高。目前，只要是市面上通過了我國安規(guī)認(rèn)證的的電源，都必須安裝PFC電路。也就是說，如果想要將產(chǎn)品推向市場，那么就必須熟悉PFC電路的設(shè)計(jì)。本篇文章就將為大家介紹如何選擇合適的PFC。
通常，在電源設(shè)計(jì)當(dāng)中，PFC電路都會(huì)被安裝在第二層濾波之后于全橋整流電路之前。PFC有能夠被細(xì)分為兩種，一種是無源PFC，也就是常說的被動(dòng)式PFC，一種是有源PFC，即主動(dòng)式PFC。
被動(dòng)式PFC采用的是電感補(bǔ)償方法使交流輸入的基波電流，也就是交流電與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù)，被動(dòng)式PFC又分靜音式被動(dòng)PFC和非靜音式被動(dòng)PFC。被動(dòng)式PFC的功率因數(shù)只能達(dá)到0.7~0.8，它一般在高壓濾波電容附近。
主動(dòng)式PFC則是由電感電容及電子元器件兩部分所組成，它體積較小、需要通過專用的IC去調(diào)整電流的波形，對電流和電壓之間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。相對于被動(dòng)式PFC來說，主動(dòng)式PFC可以達(dá)到較高的功率因數(shù)通常可達(dá)98%以上，但它的成本就被動(dòng)式PFC來說也相對較高。此外，主動(dòng)式PFC還可用作輔助電源，所以在使用主動(dòng)式PFC的電路當(dāng)中，往往不需要待機(jī)變壓器，而且主動(dòng)式PFC輸出直流電壓的紋波很小，這種電源不必采用很大容量的濾波電容。
這里有一個(gè)有趣的現(xiàn)象，很多人在在購買電源時(shí)，都喜歡購買帶有主動(dòng)式PFC的電源。雖然在使用上主動(dòng)式PFC具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是還是要看情況而言。
主動(dòng)PFC和被動(dòng)PFC的優(yōu)勢
PFC的誕生是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的二極管整流電路會(huì)對電網(wǎng)形成干擾，并且攻略也會(huì)降低浪費(fèi)電網(wǎng)的容量。為了解決這個(gè)問題，引入了PFC.簡單說被動(dòng)PFC是一個(gè)工頻電感器，利用電感中電流不能突變的原理，可以大幅降低電網(wǎng)干擾，同時(shí)提升功率因數(shù)。
被動(dòng)PFC的優(yōu)勢是：電路簡單，成本低，電磁干擾小。
主動(dòng)PFC的優(yōu)勢是：電壓適應(yīng)范圍寬，功率因數(shù)高。功率因數(shù)和轉(zhuǎn)換效率是兩個(gè)不同的指標(biāo)。功率因數(shù)是電路的參數(shù)，交流電路中的一個(gè)指標(biāo)，和線路損耗有一定的關(guān)系。功率因數(shù)的范圍是 0 1.0，1.0是最理想的，0在實(shí)際電路中其實(shí)不存在。供電局對這個(gè)指標(biāo)比較重視，對于一般家用沒有實(shí)際意義。轉(zhuǎn)換效率是關(guān)于能量轉(zhuǎn)換的，直接決定電源的損耗大小。轉(zhuǎn)換效率的范圍是 0% 100%，100%是理想的狀態(tài)，0%是最差勁的極端。這才是我們應(yīng)該關(guān)心的，轉(zhuǎn)換效率越低，電源損耗越大，浪費(fèi)的電越多。功率因數(shù)不影響電表走字，0.1和1.0都是一樣的走法。轉(zhuǎn)換效率要影響電表走字，轉(zhuǎn)換效率越低，損耗的電能越多，電表也會(huì)多走些。高功率因數(shù)，是在給供電局省錢。
高轉(zhuǎn)換效率，是在給自己省錢。
主動(dòng)PFC和電源轉(zhuǎn)換效率并沒有必然聯(lián)系就目前市面上的產(chǎn)品來看，大部分高轉(zhuǎn)換效率的電源都是主動(dòng)PFC的，也同時(shí)擁有很高的功率因數(shù)。
這有很大一部分是市場造成的：
由于低端產(chǎn)品對成本的要求過于嚴(yán)格，所以幾乎不可能使用主動(dòng)PFC設(shè)計(jì)。而購買這種商品的人同樣不會(huì)關(guān)心功率因數(shù)及轉(zhuǎn)換效率究竟如何。因此低端電源普遍采用了傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，效率低，功率因數(shù)也低。高端電源主要針對電腦玩家和專業(yè)場合設(shè)計(jì)，功率普遍很大，成本可以放寬，本身賣得也很貴。被動(dòng)PFC在功率超過400W以后，損耗變大，效率變低，體積太大，重量也大。
主動(dòng)PFC在400W功率以上效率有優(yōu)勢，雖然價(jià)格貴，但是高端用戶不會(huì)在乎這一點(diǎn)價(jià)格。高端電源通常都不會(huì)沿用傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，而是廠家精心研發(fā)的先進(jìn)電路，效率自然提高很多。最終的結(jié)果就是：高端電源幾乎全都是主動(dòng)PFC，功率因數(shù)很高，效率也很高。
實(shí)際上，主動(dòng)PFC在低功率時(shí)，自身損耗大于被動(dòng)PFC.畢竟它是一個(gè)復(fù)雜的電路，工作起來要消耗電能；而被動(dòng)PFC就是一個(gè)電感。不過很少有人讓高端電源工作的低負(fù)載下，這個(gè)問題也就不明顯了。
主動(dòng)PFC還有一個(gè)最麻煩的缺點(diǎn)：電磁干擾大
為了搞定電磁干擾，EMI濾波電路要加強(qiáng)，電路更加復(fù)雜。有些電源在待機(jī)時(shí)發(fā)出高頻噪音，也是因?yàn)橹鲃?dòng)PFC。
總結(jié)：
高端電源（400W或更高），首選主動(dòng)PFC，在大功率的場合，主動(dòng)PFC優(yōu)勢明顯，高端產(chǎn)品成本上不受限制，電路設(shè)計(jì)優(yōu)秀，完全可以彌補(bǔ)主動(dòng)PFC的缺點(diǎn)。高效率高性能的產(chǎn)品誰都喜歡。
低端電源（350W或更低），根據(jù)自己的需求選擇，不必苛求主動(dòng)PFC，在成本受限的情況下，主動(dòng)PFC的缺點(diǎn)開始暴露，電磁干擾，高頻噪音。在300W這個(gè)等級，主動(dòng)PFC已經(jīng)完全沒有優(yōu)勢了。在給大家舉幾個(gè)例子：
用幾臺電腦分別使用額定400W、450W、500W的電源。
首先說額定400W的電源，主動(dòng)PFC，兩級EMI濾波，電路設(shè)計(jì)比較前衛(wèi)，轉(zhuǎn)換效率很高，自身發(fā)熱小，因?yàn)殚_關(guān)頻率很高，超過了人能聽見的范圍，聽不到高頻噪音。
400W;主動(dòng)PFC;三級EMI濾波；傳統(tǒng)的主動(dòng)PFC設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換效率不高，自身發(fā)熱一般；開關(guān)頻率不算高，有明顯的高頻噪音。
450W;主動(dòng)PFC;三級EMI濾波；傳統(tǒng)的主動(dòng)PFC設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換效率偏低，自身發(fā)熱大，開關(guān)頻率應(yīng)該比較高，沒有明顯的高頻噪音。
500W;被動(dòng)PFC;兩級EMI濾波；傳統(tǒng)的被動(dòng)PFC設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換效率糟糕，發(fā)熱巨大。沒有任何高頻噪音，不過風(fēng)扇的噪音很大。
PFC電源的重要性
在我們討論P(yáng)FC（功率因數(shù)校正）電路之前，還是讓我們先來簡單的了解一下什么叫做“功率因數(shù)（PF）”吧。
功率因數(shù)（PF）是指，實(shí)際功率（有效功率）與視在功率（表觀功率）的比率（kW/kVA），而我們都知道，功率P等于電壓與電流的乘積（P=V×I）。另外，在電路中會(huì)存在著最基本的兩種電路負(fù)載，一種為“電阻（由電源中各種電阻構(gòu)成的電路負(fù)載）”，另外一種為“電抗（由電源中電感線圈和電容構(gòu)成的電路負(fù)載）”。
如果整個(gè)電路都是線性負(fù)載（電路阻抗為恒定常數(shù)的負(fù)載），那么電源電壓和電流都將會(huì)呈現(xiàn)為正弦曲線，并且相位相同。而如果在這個(gè)純電阻電路中，那么電壓和電流都會(huì)在同一時(shí)刻逆轉(zhuǎn)極性，那么也就是說，在每一時(shí)刻，電壓與電流的乘積都為“正”。也就是說，在電路中，沒有“反方向（負(fù)極方向）”的能量移動(dòng)，而此時(shí)所產(chǎn)生負(fù)載功率才被稱為“實(shí)際功率”。
而在一個(gè)純電抗負(fù)載電路中，電壓和電流之間會(huì)產(chǎn)生一定的是時(shí)間差，也就會(huì)出現(xiàn)相位差（最大理論值為90度，一般情況多為45度），那么電壓與電流的乘積，就不一定每一時(shí)刻都為“正”了。在第一個(gè)半周期內(nèi)，能量為“正”，另外一個(gè)半周期內(nèi)能量為“負(fù)”，那么就是說，前半周期電源從電網(wǎng)中獲取能量，而在后半個(gè)周期內(nèi)，這些能量又會(huì)回流到國家電網(wǎng)中。所以如果按照一個(gè)周期計(jì)算，那么電源獲得的能量會(huì)為“零”，沒有能量。
上面的兩種描述都是純理論的理想狀態(tài)。但在實(shí)際應(yīng)用中，電路中會(huì)有大量的電阻、電感和電容，在同一時(shí)刻都會(huì)有負(fù)載，也就會(huì)產(chǎn)生不同方向的“能量”。因此，所有的正向能量，我們稱其為“實(shí)際功率”，而反向回流電網(wǎng)的能量則稱之為“無用功率”，那么“實(shí)際功率”與“無用功率”的綜合，就是之前我們所說的“視在功率”。
但正如我們之前所提到的，“功率因數(shù)”實(shí)際上就是“實(shí)際功率”與“視在功率”的比值。而最為理想的比值為“1”，當(dāng)然這還無法做到，因此只能無限接近于“1”，這個(gè)數(shù)值我們一般稱之為“功率因數(shù)”。
這里我們需要指出的是，居民用戶只需要支付實(shí)際功率（瓦數(shù)）所消耗的電量，則不會(huì)支付回流到電網(wǎng)中無用功率的電量。而對于商業(yè)工廠用電則會(huì)追加無用功率這一部分的用電，因?yàn)樗麄兯碾娏康幕鶖?shù)太大了。
雖然對于居民用戶來說，我們不需要支付無用功率的電費(fèi)，但是根據(jù)《歐盟EN61000-3-2號標(biāo)準(zhǔn)》（當(dāng)然中國也有相關(guān)的法規(guī)條款），凡是功率擦超過75W的開關(guān)電源，都需要至少安裝被動(dòng)PFC模塊。此外，在80Plus電源認(rèn)證中，則要求功率因數(shù)需要超過0.9，甚至更多。
不過在數(shù)年前，許多的電源廠商大多都在電源產(chǎn)品中使用被動(dòng)PFC模塊。而PFC模塊則是一個(gè)減少諧波電流，并且將非線性負(fù)載轉(zhuǎn)換成線性負(fù)載的過濾器，電容和電感所產(chǎn)生的功率因數(shù)則會(huì)向單位值跟近一些。
因此，我們接下來要說的，就是主動(dòng)PFC和被動(dòng)PFC電路。被動(dòng)PFC相對主動(dòng)PFC，功率因數(shù)較低，并且被動(dòng)PFC只適用于230V高壓電網(wǎng)，對于115V低壓電網(wǎng)，被動(dòng)PFC還需要一個(gè)倍壓器以適應(yīng)電網(wǎng)規(guī)格。不過，被動(dòng)PFC比主動(dòng)PFC的效能要高！
對于主動(dòng)PFC來說，它基本上是一個(gè)通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制電流波形的AC/DC整流器。在最開始，AC電壓通過整流橋整流。然后PWM觸發(fā)主動(dòng)PFC電路中的MOSFET管（通常是兩個(gè)），分離中間直流電壓到恒定脈沖序列。這些脈沖信號通過濾波電容，將相對平順的電流送到主開關(guān)電路。而在此之前，我們還會(huì)看到一個(gè)大個(gè)的電感線圈，而這個(gè)大電感可以對突然涌入的電流起到緩沖和梳理的作用，當(dāng)然磁線圈也是電抗產(chǎn)生的重要元件。
此外，在主動(dòng)PFC電路中我們還會(huì)看到一個(gè)熱敏電阻，同樣是用來限制突然涌入的電流，特別是當(dāng)電源通電以及啟動(dòng)時(shí)。
主動(dòng)PFC電路通常也有兩種不同的模式，電流斷續(xù)模式DCM（Discontinuous Conduction Mode）和電流連續(xù)模式CCM（ Continuous Conduction Mode）。其中DCM是指，當(dāng)電感電流為零時(shí)，PFC的MOSFET管被開啟的工作狀態(tài)；CCM是指，電感電流始終在零以上，PFC的MOSFET管被開啟的工作狀態(tài)，因此在MOSFET管中，所有的反向恢復(fù)的能量都會(huì)被浪費(fèi)。
在電源PFC電路中的第二種模式（CCM）主要被用于超過200W功率輸出的電源，因?yàn)樗軌蛱峁┫鄬^低電流噪聲峰值，這意味著高功率電源可以有效抑制電流紋波，輸出更為平順的電流。不過CCM的缺點(diǎn)是耗能較高，并且在升壓二極管關(guān)閉時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外EMI，所以我們經(jīng)常會(huì)看到電源整流橋后通常會(huì)增加一個(gè)X電容。
結(jié)語
關(guān)于PFC電源的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。
工商網(wǎng)監(jiān)
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