PFC控制器建模:用于Buck, Boost和SMPS设计
如果我们回顾60年前的消费电子产品，我们会对电源技术产生一种有趣的看法。老式的电视电源依赖于真空管分流调节器和反激变压器，它们向阴极射线管(CRT)输送15至30千伏的电压。一切在低压和高压电源中散发热量;“效率”根本就不是优先考虑的。
然而，数字、光学和无线通信系统的出现改变了一切。1978年期间，国际电信能源会议的与会者开始讨论公共交换电话网对节能和具有成本效益的电力系统的需求。
今天，我们看到电子行业明确地关注电源供应效率、降低功耗和减轻电磁干扰。通过提高待机功耗和主动模式效率的监管压力，这种关注也变得显而易见。例如，欧洲和日本生产的电气设备符合IEC 61000-3标准。国际能源之星6.0要求解决了备用电源要求。每一点都增加了对最佳功率因数校正功能的需求，以最大限度地提高可用有效功率。
PFC控制器:电源电路中的功率效率
效率的最简单形式告诉我们，如果的输出功率一种电源电路制造技术等于75瓦，输入功率等于100瓦，效率等于75%。然而，对降低电力消耗方法的探索已经超出了电路的输出功率等于输入功率的一小部分。
有效功率是电流和电压在一个周期内的瞬时乘积的平均值，是由于电阻性负载而耗散的功率。换句话说，有效功率转化为做功的那部分功率。负载所消耗的有效功率的值将小于两者的乘积负载上的电压和流过的电流通过负载。
功率因数和有效值
在交流电源上连接无功负载会导致部分功率返回到电源。当我们计算电路的视功率时，我们使用RMS(均方根或均方的平方根)值。对于交流电，RMS值等于在电阻性负载下产生相同平均功耗的直流电的值。
视在功率表示电流的均方根值与电压的均方根值的乘积，即电路的总功率。a的RMS电压正弦波形等于峰值电压值乘以0.7071。
电路的功率因数(PF)等于有效功率除以视在功率。我们用瓦表示有效功率，用伏安表示视在功率。
PF =有效功率(瓦)/视在功率(VA)或
真瓦/伏x安培
我们还可以将功率因数定义为电压和电流的相位移或电压和电流波形之间相位角的余弦。
PF = CosƟ
如果电流和电压都保持相位差并且具有完美的正弦形状，则功率因数等于1.0或功率因数可能的最大值。典型的功率因数比产生的值小于十进制格式表示的1。如果电流和电压都有一个完美的正弦形状，但不相位差，功率因数等于相位角的余弦，值小于1。
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低功率因数告诉我们，设备、计算机或电器消耗的功率大于所应用的功率。这种过度消耗转化为电能的浪费。功率因数校正(PFC)对离线电源的输入电流波形进行整形，以最大限度地提高来自线路电压的实际功率。
因此，功率校正电路增加了功率因数。在功率因数校正到位后，计算机、设备或设备呈现的负载模拟纯电阻器。因此，消耗或浪费的无功功率具有最小值或零值。
基于SMPS的PFC控制器建模
开关电源由半波或全波整流输入电路和电容器组成，电容器保持近似输入正弦波峰值电压的电压，直到下一个峰值对电容器充电。只有当输入交流电压高于电容电压时，电容输入端的交流电才会流动。由于电容器作为容性负载，电路只从输入波形的峰值处吸取电流。
由于电流脉冲中的能量必须维持负载直到下一个峰值，电容器在短时间内接收到显著的电荷。随着电容器缓慢地将能量放电到负载中，电流脉冲范围从平均电流的5到10倍。然而，交流电脉冲也包含高频成分，扭曲正弦波形。
从线路电压的角度看，电源表现为一个非线性阻抗电流电压同相。然而，电流脉冲中较高的谐波含量增加了视在功率，并使功率因数的失真系数约为最大功率因数值的一半，即0.5至6。
功率因数校正，谐波失真，和转换器
功率因数校正(PFC)可以重塑电流，减少不必要的总谐波失真(THD)。当我们谈到功率因数校正时，我们可以使用无源或有源功率因数校正来完成任务。在较低电压电源的输入整流器和存储电容器之间放置一个电感，可以使谐波保持在规定的限度以下。
然而，处理高电压的电源需要有源功率因数校正电路。以典型的开关模式电源为例，在输入整流器和存储电容器之间放置一个开关模式升压变换器，使输入电流波形与输入电压波形匹配。
升压和降压转换器组成了最常用的PFC拓扑。升压转换器在电源的输入端放置一个滤波器电感，以建立一个平滑的连续输入电流波形。有了连续的输入电流，滤波变得更容易。升压转换器可以在连续传导模式(CCM)、间断传导模式(DCM)或临界传导模式(CrCM)下工作。在这三种模式中，大多数PCB设计使用CCM升压拓扑。
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CCM操作使用一个大的滤波器电感，保持满载电感电流纹波在平均输入电流的20%到40%之间。因此，该电路实现了较低的峰值电流，降低了器件导通损耗，较低的关断损耗，以及平滑的，较低幅值的高频纹波电流。相比之下，CrCM使用恒定准时控制。线路电压和工作频率在60 Hz周期内变化，进而产生高输入纹波电流。虽然CCM升压拓扑可以用于低功率、中功率和高功率设计，但较高的输入纹波电流限制了CrCM升压拓扑在低功率和中功率电源的使用。
Buck变换器的工作原理是降压变换器，输出电压小于输入电压。典型的降压变换器操作始于电源晶体管的接通。当输入电流增加时，它流过滤波电感器、滤波电容器和负载电阻。由于仅依赖于一个晶体管，buck转换器提供了简单性和高达90%的高效率。虽然buck变换器中的电感限制了负载电流的变化率，但是buck变换器有一个不连续的输入电流，并且总是需要一个平滑的输入滤波器。
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