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同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)改善與高效率的最新AC/DC電源技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2014-03-19 來(lái)源:ROHM 責(zé)任編輯:cicy

【導(dǎo)讀】在電子設(shè)備開(kāi)發(fā)中,電源的高效化已經(jīng)逐年成為重要主題。另外,不僅是面臨電力能源問(wèn)題的日本,在全世界的發(fā)電和輸電相關(guān)的電力公司,功率因數(shù)改善設(shè)備的普及與高效率同樣是重中之重。本文在此介紹能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備工作時(shí)的功率因數(shù)改善與待機(jī)時(shí)的高效率的AC/DC電源技術(shù)。

1. 功率因數(shù)與功率因數(shù)改善電路(PFC:Power factor correction)

功率因數(shù)是指是否將電力公司生產(chǎn)的電力毫無(wú)損耗地輸送到電子設(shè)備的數(shù)值;效率是指是否將該電力毫無(wú)損耗地轉(zhuǎn)換的數(shù)值。當(dāng)交流電力的電壓與電流的相位差為φ時(shí),按功率因數(shù)=COSφ求得功率因數(shù),當(dāng)電壓與電流沒(méi)有相位差,即正弦波時(shí)功率因數(shù)為1。

簡(jiǎn)單地說(shuō),單純的電阻負(fù)載時(shí),電壓與電流波形不發(fā)生相位延遲,因此,功率因數(shù)為1(圖1)。

功率因數(shù)為1時(shí)的波形與電路例 
[圖1] 功率因數(shù)為1時(shí)的波形與電路例

但是,在現(xiàn)代電子設(shè)備中,開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用廣泛,為使輸入的交流電壓平滑,一般使用電容器(稱為電容輸入型整流濾波)。通過(guò)這種濾波用電容負(fù)載,只有在比濾波電容電壓還高時(shí)輸入交流電壓才會(huì)流過(guò),因此導(dǎo)通角變小,電流波形成為含有高頻成分的非正弦波電流(圖2)。

高頻電流時(shí)的波形和電路例 
[圖2] 高頻電流時(shí)的波形和電路例


因此,即使消耗了相同功率,在電源側(cè)也會(huì)流過(guò)瞬時(shí)大電流(比如功率因數(shù)為0.5時(shí),與功率因數(shù)為1時(shí)相比,峰值電流高達(dá)2倍),電力公司針對(duì)這種含有高頻成分的非正弦波電流,花費(fèi)了額外發(fā)電和設(shè)備損壞事故的對(duì)策用的巨大費(fèi)用。

為防止這些問(wèn)題的發(fā)生,世界各國(guó)對(duì)特定功率以上的設(shè)備實(shí)行高頻電流限制,并反映在各國(guó)的國(guó)內(nèi)法規(guī)及執(zhí)行上。滿足這些限制的手段之一是利用功率因數(shù)改善電路(PFC),將輸入電流波形變?yōu)榻咏也ǎ瑥亩种聘哳l電流。

作為這種功率因數(shù)改善的手段,一般采用使用了無(wú)源元件(電感)的無(wú)源方式和使功率元器件開(kāi)關(guān)的有源方式。

無(wú)源方式的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但難以滿足更寬的輸入電壓范圍,小型化也很難。與之相對(duì)的有源方式則可滿足更寬的輸入電壓范圍,有利于小型化(圖3)。

 功率因數(shù)改善前后的電流波形比較
[圖3] 功率因數(shù)改善前后的電流波形比較

這種有源方式的功率因數(shù)改善電路(PFC)從效率的角度看,因自身功耗而導(dǎo)致效率下降。尤其在具有待機(jī)模式的現(xiàn)代電子設(shè)備中尤為顯著。

2. 同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)改善電路與高效率

ROHM開(kāi)發(fā)出了同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)改善電路與高效率的、內(nèi)置PFC控制功能的AC/DC轉(zhuǎn)換器IC(BM1C001F)。本產(chǎn)品搭載了以任意功率開(kāi)/關(guān)功率因數(shù)改善電路(PFC)控制器的功能和PFC輸出新控制方式。通過(guò)這些技術(shù),不僅大幅降低了待機(jī)功耗,而且還有助于滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)能源之星6.0所規(guī)定的水平。另外,通過(guò)集成功率因數(shù)改善電路(PFC)控制器與準(zhǔn)諧振電路(QR)控制器,與以往相比,還可減少20%的零部件數(shù)量,有助于實(shí)現(xiàn)電源的小型化。

第二頁(yè):高效率的AC/DC電源技術(shù)(二)
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新產(chǎn)品的特點(diǎn)

(1)通過(guò)搭載PFC控制器ON/OFF設(shè)定功能,改善了輕負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)換效率,并降低了待機(jī)時(shí)功耗(圖4)

PFC控制器ON/OFF設(shè)定功能圖 
[圖4] PFC控制器ON/OFF設(shè)定功能圖

?監(jiān)測(cè)二次側(cè)的負(fù)載功率,并針對(duì)該功率對(duì)PFC控制器進(jìn)行ON/OFF控制,尤其有助于提升在無(wú)需PFC的負(fù)載范圍(75W以下)的電源轉(zhuǎn)換效率。

?在100W級(jí)的電源中使用本IC產(chǎn)品時(shí),使用我公司的評(píng)估板,待機(jī)功耗在AC100V時(shí)為85mW以下,AC230V時(shí)為190mW以下,滿足能源之星6.0(美國(guó)環(huán)境保護(hù)署制定)所規(guī)定的210mW以下的要求。

(2)利用ROHM獨(dú)有的PFC輸出新控制方式,針對(duì)世界各國(guó)的AC輸入電源均可實(shí)現(xiàn)更高效率(圖5)

PFC輸出新控制方式圖 
[圖5] PFC輸出新控制方式圖

?世界各國(guó)的AC電源輸入范圍不同,以往的PFC IC的輸出電壓設(shè)定是恒定的,因此,當(dāng)升壓比較大時(shí)(例如,AC100V輸入時(shí)的PF輸出為400V時(shí)等),會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增大,效率降低。本產(chǎn)品通過(guò)搭載PFC輸出新控制方式,輸出符合AC輸入電壓的PFC輸出電壓,從而可抑制功率因數(shù)改善電路(PFC)的效率降低現(xiàn)象。

例如,100W級(jí)的電源中,隊(duì)AC100V輸入時(shí)的效率進(jìn)行比較,與PFC輸出固定的情況相比,預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)換效率可提升約2%?!?/p>

(3)采用有利于高效率、低噪音的準(zhǔn)諧振電路。這種方式,由于有助于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)和低EMI的開(kāi)關(guān)MOSFET和電流檢測(cè)電阻為外置方式,因此,電源設(shè)計(jì)的自由度更高。另外,內(nèi)置脈沖功能,實(shí)現(xiàn)了輕負(fù)載高效率。

(4)功率因數(shù)改善電路(PFC)控制器與準(zhǔn)諧振電路(QR)一體化封裝,使零部件數(shù)量大大減少,通過(guò)一體化封裝,可減少通用設(shè)計(jì)部分的零部件數(shù)量,與各自獨(dú)立的情況相比,零部件數(shù)量成功減少約20%。

3. 卓越的電源產(chǎn)品開(kāi)發(fā)體制與完善的服務(wù)支持體制

設(shè)計(jì)電源電路時(shí),并非僅有好的IC即可組成好的電源。要想打造最佳的電源電路,除了IC選型以外,還需要電容、線圈和變壓器繞組設(shè)計(jì)等無(wú)源器件的選型以及PCB底片(Artwork)等眾多設(shè)計(jì)訣竅。因此,選擇能夠支持其應(yīng)用設(shè)計(jì)的制造商與選擇IC同等重要。ROHM不僅開(kāi)發(fā)并銷(xiāo)售LSI產(chǎn)品,還備有支持客戶設(shè)計(jì)的專職隊(duì)伍??膳浜嫌脩粢蟮囊?guī)格(輸出電壓、輸出電流等),提供最佳的電源設(shè)計(jì)方案。他們將與AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器以及MOSFET、二極管、電阻等分立元件一起為客戶提供綜合電路設(shè)計(jì)支持。

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