由于效率要求不断增长，许多电源制造商开始将注意力转向无桥功率因数校正(PFC)拓扑结构。一般而言，无桥PFC可以通过减少线路电流路径中开云棋牌官网在线客服元器件的数目来降低传导损耗。尽管无桥PFC的概念已经提出了许多年，但因其实施难度和控制复杂程度，阻碍了它成为一种主流拓扑。

随着一些专为电源设计的低成本、高性能数字控制器上市，越来越多的电源公司开始为PFC设计选用这些新型数字控制器。相比传统的模拟控制器，数字控制器拥有许多优势，例如：可编程配置，非线性控制，较低器件数目以及最为重要的复杂功能实现能力(模拟方法通常难以实现)。

大多数现今的数字电源控制器(例如：TI的融合数字电源控制器UCD30xx)都提供了许多的集成电源控制外设和一个电源管理内核，例如：数字环路补偿器，快速模数转换器(ADC)，具有内置停滞时间的高分辨率数字脉宽调制器(DPWM)，以及低功耗微控制器等。它们都对无桥PFC等复杂高性能电源设计具有好处。

数字控制的无桥PFC

在其他无桥PFC拓扑结构中，图1是一个已被业界广泛采用的无桥PFC实例。它具有两个DC/DC升压电路，一个由L1、D1和S1组成，另一个则由L2、D2和S2组成。D3和D4为慢恢复二极管。通过参考内部电源地，分别检测线路(Line)和中性点(Neutral)电压，测量得到输入AC电压。通过对比检测到的线路和中性点信号，固件便可知道它是一个正半周，还是一个负半周。在一个正半周内，第一个DC/DC升压电路(L1-S1-D1)有效，并且升压电流通过二极管D4回到AC中性点；在一个负半周内，第二个DC/DC升压电路(L2-S2-D2)有效，并且升压电流二极管通过D3回到AC线。像UCD3020这样的数字控制器用于控制这种无桥PFC。

图1 数字控制无桥PFC

无桥PFC基本上由两个相升压电路组成，但在任何时候都只有一个相有效。对比使用相同功率器件的传统单相PFC，无桥PFC和单相PFC的开关损耗应该相同。但是，无桥PFC电流在任何时候都只通过一个慢速二极管(正半周为D4，负半周为D3)，而非两个。因此，效率的提高取决于一个二极管和两个二极管之间的传导损耗差异。另外，通过完全开启非当前的开关可以进一步提高无桥PFC效率。例如：在一个正半周内，在S1通过PWM信号控制的同时，S2可以完全开启。当流动的电流低于某个值时，MOSFET S2压降可能低于二极管D4，因此，返回电流部分或者全部流经L1-D1-RL-S2-L2，然后返回AC源。这样，传导损耗被降低，电路效率也能够提高(特别是在轻载情况下)。同样，在一个负半周内，S2开关时，S1被完全开启。图2显示了S1和S2的控制波形。

图2 无桥PFC的PWM波形

自适应总线电压和开关频率控制

传统上，效率指标在高压线路和低压线路上都规定为满载。现在，计算服务器和远程通信电源等大多数应用要求，除在满载时，在10%-50%负载范围时，效率也应当满足标准规范。在大多数AC/DC应用中，系统具有一个PFC和一个下游DC/DC级，因此，我们将根据整个系统来测量效率。若想提高轻载时的总系统效率，一种方法是降低PFC输出电压和开关频率。这要求了解负载信息，而这项工作通常通过使用一些额外电路，测量输出电流来实现。然而，采用数字控制器，便不再需要这些额外电路。在输入AC电压和DC输出电压相同时，输出电流与电压环路输出成正比。因此，如果我们知道电压环路的输出，我们便可以相应地调节频率和输出电压。使用数字控制器以后，电压环路通过固件来实现。其输出已知，因此，实现这种特性十分容易，并且成本比使用模拟方法要低得多。

通过变流器实现电流检测

无桥PFC的难题之一是，如何检测整流后的AC电流。如前所述，AC返回电流(部分或者全部)可能会流经非当前的开关，而非慢速二极管D3/D4.因此，在接地路径中，使用分流器来检测电流的方法(通常在传统PFC中使用)已不再适用。取而代之的是使用变流器(CT)来检测，且每相一个(图1)。这两个变流器的输出整流后结合在一起，以产生电流反馈信号。由于在任何时候都只有一个变流器具有整流输出信号，因此，即使将它们结合在一起，任何时候也都只有一个反馈电流信号。

图3 连续导通模式时的检测电流波形

图4 非连续导通模式时的检测电流波形

如图3、4所示，由于变流器放置在开关的正上方，因此，它只检测开关电流(只是电感电流的上升部分)。在数字控制实现时，在PWM导通时间Ta中间测量该开关电流信号。它是一个瞬时值，在图3、4中以Isense表示。仅当该电流为连续电流时，测得的开关电流Isense才等于平均PFC电感电流(图3)。当该电流变为图4所示非连续状态时，Isense将不再等于平均PFC电感电流。为了计算电感平均电流，应建立在一个开关周期内，中间点检测电流Isense和平均电感电流之间的关系，并且这种关系应同时适用于连续导通模式(CCM)和非连续导通模式(DCM)。

就一个在稳态工作的升压型转换器而言，升压电感的二次电压应在每一开关周期内都保持平衡：

其中，Ta为电流上升时间(PWM导通时间)，Tb为电流下降时间(PWM关断时间)，VIN为输入电压，VO为输出电压，并假设所有功率器件均为理想状态。

从图3、4可以看出，我们可以根据Isense，计算出电感平均电流Iave：

其中，T为开关周期。

结合(1)、(2)两式，可以得到：

通过(3)式，平均电感电流Iave被表示成瞬时开关电流Isense.期望电流Iave和Isense为电流控制环路的电流参考。检测到实际的瞬时开关电流后，与该参考对比，误差被送至一个快速误差ADC(EADC)，最后，将数字化的误差信号传送至一个数字补偿器，以关闭电流控制环路。

动态调节环路补偿器

总谐波失真(THD)和功率因数(PF)是两个判定PFC性能非常重要的标准。一个好的环路补偿器应该具有较好的THD和PF.不过，由于PFC的输入范围非常宽，它可以从80Vac扩展至高达265Vac，因此，在低压线路拥有较高性能的补偿器，在高压线路上可能无法很好工作。最好的方法是根据输入电压相应地调节环路补偿器。这对模拟控制器来说，可能是一项不可能完成的任务，但对于一些数字控制器(例如：UCD3020)来说，则可以轻松实现。

该芯片中的数字补偿器是一种数字滤波器，它由一个与一阶IIR滤波器级联的二阶无限脉冲响应(IIR)滤波器组成。控制参数(即所谓的系数)被保存在一组寄存器中。该寄存器组被称作存储体(bank)。共有两个这样的存储体，并且它们可以存储不同的系数。任何时候，只有一个存储体的系数有效并用于补偿计算，而另一个则处于非工作状态。固件始终都可以向非工作存储体加载新的系数。在PFC工作期间，可以在任何时候调换系数存储体，以便允许补偿器使用不同的控制参数，以以适应不同的运行状态。

图5 低压线路的VIN和IIN波形(VIN=110V，负载=1100W，THD=2.23%，PF=0.998)

有了这种灵活性以后，我们可以存储两个不同的系数组(一个用于低压线路，另一个用于高压线路)，并根据输入电压交换系数。环路带宽、相位裕度和增益裕度在低压线路和高压线路下都可优化。利用这种动态调节的控制环路系数，并使用固件补偿变流器可能出现的偏移，可以极大改善THD和PF.图5、6是基于1100W无桥PFC的测试结果，在低压线路上的THD为2.23%，高压线路上的THD为2.27%，而PF则分别为0.998和0.996。

图6 高压线路的VIN和IIN波形(VIN=220V，负载=1100W，THD=2.27%，PF=0.996)

改善轻载时的PF

每个PFC在输入端都有一个电磁干扰(EMI)滤波器。EMI滤波器的X电容会引起AC输入电流超前AC电压，从而影响PF.在轻载和高压线路下，这种情况将变得更糟糕：PF很难满足严格的规范。要想增加轻载时的PF，我们需要相应地强制电流延迟。我们如何实现呢？

图7 测量到的VIN无延迟

我们知道，PFC电流控制环路不断尝试强制电流与其参考匹配。该参考基本上是AC电压信号，只是大小不同。因此，如果我们能够延迟电压检测信号，并将延迟后的电压信号用于电流参考生成，便可以让电流延迟，来匹配AC电压信号，从而使PF得到改善。这对一个模拟控制器来说比较困难，但对数字控制而言，只需几行代码便可以实现。

图8 测量到的VIN被延迟300us

首先，输入AC电压通过ADC测量。固件读取测量到的电压信号，再加上一些延迟，然后使用延迟后的信号来生成电流参考。图7、8显示了1100W无桥PFC的测试结果。在该测试中，VIN=220V，VOUT=360V，而负载=108W(约满载的10%)。通道1为IIN，通道2为VIN，通道4为带延迟的测量到的VIN信号。图7中，测量到的VIN没有增加延迟，PF=0.86，THD=8.8%.而在图8中，测量到的VIN信号被延迟了300us，这种情况下，PF被改善到0.90.此外，还可以进一步改善PF，但这将以牺牲THD为代价，因为进一步延迟电流参考，将在AC电压交叉点处产生更多的电流失真。在图9中，测量到的VIN被延迟了500us，此时，PF被改善到0.92.但是，电流在电压交叉点处出现了失真。结果，THD变得更糟糕，达到11.3%。

图9 测量到的VIN被延迟500us

非线性控制

相比电流环路，电压环路控制的复杂度较低。在数字实现时，输出电压VO通过一个ADC检测，然后同一个电压基准比较。我们可以使用一个简单的比例积分(PI)控制器，来闭合该环路。

其中，U为控制输出，Kp和Ki分别为比例和积分增益。E[n]为DC输出电压误差采样值。

如前所述，使用数字控制的好处之一是它能够实现非线性控制。为提高瞬态响应，可以使用非线性PI控制。图10是非线性PI控制的一个例子。误差越大时(通常出现在瞬态)，所使用的Kp增益也越大。当误差超出设置限制时，这将加速环路响应，并且，恢复时间也被缩短。对于积分器，则又是另外一种情况。众所周知，积分器用于消除稳态误差。然而，它却经常引起饱和问题，并且其90°相位滞后也将影响系统的稳定性。正因如此，我们使用了一个非线性积分增益(图10)。当误差超出一定程度时，积分增益Ki减小，以防止出现饱和、超调和不稳定的问题。

图10 非线性PI控制

数字电压环路控制的另一个优点被称为抗积分器饱和，它一般出现在AC下降时。当出现AC下降且下游负载继续吸取电流时，DC输出电压开始下降，而PFC控制环路却仍然尝试调节其输出。因此，积分器积分，并可能出现饱和，这种情况被称为积分器饱和。一旦AC恢复，饱和的积分器便可能引起DC输出电压超调。为防止出现这种情况，则一旦探测到AC恢复，固件便马上复位积分器，并且DC输出达到其调节点。

数字控制器还可以做更多工作，例如：频率抖动、系统监控和通信等，并且还可以为无桥PFC提供灵活的控制、更高的集成度和更高的性能。在一些高端AC/DC设计中，越来越多的设计正在使用数字控制器。<