开关电源PFC及其工作原理(图文)

此电路虽然简单，可以在前期设计的无PFC功能的设备上，简单的增加一个合适的电感(适当的选取L和C的值)，从而达到具有PFC的作用，但是这种简单的、低成本的无源PFC输出纹波较大，滤波电容两端的直流电压也较低，电流畸变的校正及功率因数补偿的能力都很差，而且L的绕制及铁芯的质量控制不好，会对图像及伴音产生严重的干扰，只能是对于前期无PFC设备使之能进入市场的临时措施。

有源PFC电路的原理

有源PFC则是有很好的效果，基本上可以完全的消除电流波形的畸变，而且电压和电流的相位可以控制保持一致，它可以基本上完全解决了功率因数、电磁兼容、电磁干扰的问题，但是电路非常的复杂，其基本思路是在220V整流桥堆后去掉滤波电容(以消除因电容的充电造成的电流波形畸变及相位的变化)，去掉滤波电容后由一个“斩波”电路把脉动的直流变成高频(约100K)交流再经过整流滤波后，其直流电压再向常规的PWM开关稳压电源供电，其过程是; AC→DC→AC→DC。

有源PFC的基本原理是在开关电源的整流电路和滤波电容之间增加一个DC-DC的斩波电路图8(附加开关电源)，对于供电线路来说该整流电路输出没有直接接滤波电容，所以其对于供电线路来说呈现的是纯阻性的负载，其电压和电流波形同相、相位相同。斩波电路的工作也类似于一个开关电源。所以说有源PFC开关电源就是一个双开关电源的开关电源电路，它是由斩波器(我们以后称它为：“PFC开关电源”)和稳压开关电源(我们以后称它为：“PWM开关电源”)组成的。

图8

斩波器部分(PFC开关电源)

整流二极管整流以后不加滤波电容器，把未经滤波的脉动正半周电压作为斩波器的供电源，由于斩波器的一连串的做“开关”工作脉动的正电压被“斩”成图9的电流波形，其波形的特点是：1、电流波形是断续的，其包络线和电压波形相同，并且包络线和电压波形相位同相。2、由于斩波的作用，半波脉动的直流电变成高频(由斩波频率决定，约100KHz)“交流”电，该高频“交流”电要再次经过整流才能被后级PWM开关稳压电源使用。3、从外供电总的看该用电系统做到了交流电压和交流电流同相并且电压波形和电流波形均符合正弦波形，既解决了功率因素补偿问题，也解决电磁兼容(EMC)和电磁干扰(EMI)问题。

该高频“交流”电在经过整流二极管整流并经过滤波变成直流电压(电源)向后级的PWM开关电源供电。该直流电压在某些资料上把它称为：B+PFC(TPW-4211即是如此)，在斩波器输出的B+PFC电压一般高于原220交流整流滤波后的+300V，其原因是选用高电压，其电感的线径小、线路压降小、滤波电容容量小，且滤波效果好，对后级PWM开关管要求低等等诸多好处。

黑为电压波形 红色虚线为电流包络波形

图9

目前PFC开关电源部分，起到开关作用的斩波管(K)有两种工作方式：

1、 连续导通模式(CCM)：开关管的工作频率一定，而导通的占空比(系数)随被斩波电压的幅度变化而变化,如图10，

图中T1 和 T2 的位置是：T1在被斩波电压(半个周期)的低电压区，T2在被斩波电压高电压区，T1(时间)=T2(时间)从图中可以看到所有的开关周期时间都相等，这说明在被斩波电压的任何幅度时，斩波管的工作频率不变，从图10中可以看出;在高电压区和低电压区每个斩波周期内的占空比不同(T1和T2的时间相同，而上升脉冲的宽度不同)，被斩波电压为零时(无电压)，斩波频率仍然不变，所以称为连续导通模式(CCM)该种模式一般应用在250W～2000W的设备上。

图10

2、 不连续导通模式(DCM)：斩波开关管的工作频率随被斩波电压的大小变化(每一个开关周期内“开”“关”时间相等。如图11：T1和T2时间不同，也反映随着电压幅度的变化其斩波频率也相应变化。被斩波电压为“零”开关停止(振荡停止)，所以称为不连续导通模式(DCM)，即有输入电压斩波管工作，无输入电压斩波管不工作。他一般应用在250W以下的小功率设备上，例如海信TLM-3277液晶电视接收机开关电源的PFC部分即工作在DCM模式。

图11

(3)临界导通模式(CRM)或过渡模式(TCM)：

工作介于CCM和DCM之间，工作更接近DCM模式。在上一个导通周期结束后，下一个导通周期之前，电感电流将衰减为零，而且频率随着线路电压和负载的变化而变化。

优点：廉价芯片、便于设计，没有开关的导通损耗，升压二极管的选择并非决定性的;

缺点：由于频率变化，存在潜在的EMI问题，需要一个设计精确的输入滤波器。

开关稳压电源部分(PWM开关电源)

该开关稳压电源(PWM)，是整个具有PFC功能开关电源的一部分，其工作原理及稳压性能和普通的电视机开关稳压电源一样，所不同的是普通开关稳压电源供电是由交流220V整流供电，而此开关电源供电是由B+PFC供电(B+PFC是选取+380V)。

目前应用的具有功率因素校正开关电源中的PFC开关电源部分和PWM开关电源部分的激励部分均由一块集成电路完成，即PFC/PWM组合IC(如TPW-4211等离子电视的ML4824及TLM-3277液晶电视的 SMA-E1017等)，其基本框图如图12 (TPW4211离子电视V2屏开关电源PFC基本框图)和图13(海信TLM-3277 液晶电视开关电源PFC/PWM基本框图)。

图12 海信TPW-4211(V2屏)等离子电视开关电源PFC部分基本框图

图13 海信 TLM3277 液晶电视