同时实现功率因数改善与高效率的ROHM最新AC/DC电源技术

2014年3月18日

【ROHM半导体(上海)有限公司 3月18日上海讯】在电子设备开发中,电源的高效化已经逐年成为重要主题。另外,不仅是面临电力能源问题的日本,在全世界的发电和输电相关的电力公司,功率因数改善设备的普及与高效率同样是重中之重。在此介绍同时实现了设备工作时的功率因数改善与待机时的高效率的AC/DC电源技术。

1. 功率因数与功率因数改善电路(PFC:Power factor correction)
功率因数是指是否将电力公司生产的电力毫无损耗地输送到电子设备的数值;效率是指是否将该电力毫无损耗地转换的数值。当交流电力的电压与电流的相位差为φ时,按功率因数=COSφ求得功率因数,当电压与电流没有相位差,即正弦波时功率因数为1。
简单地说,单纯的电阻负载时,电压与电流波形不发生相位延迟,因此,功率因数为1(图1)。

功率因数为1时的波形与电路例
[图1] 功率因数为1时的波形与电路例

但是,在现代电子设备中,开关电源的应用广泛,为使输入的交流电压平滑,一般使用电容器(称为电容输入型整流滤波)。通过这种滤波用电容负载,只有在比滤波电容电压还高时输入交流电压才会流过,因此导通角变小,电流波形成为含有高频成分的非正弦波电流(图2)。

高频电流时的波形和电路例
[图2] 高频电流时的波形和电路例

因此,即使消耗了相同功率,在电源侧也会流过瞬时大电流(比如功率因数为0.5时,与功率因数为1时相比,峰值电流高达2倍),电力公司针对这种含有高频成分的非正弦波电流,花费了额外发电和设备损坏事故的对策用的巨大费用。
为防止这些问题的发生,世界各国对特定功率以上的设备实行高频电流限制,并反映在各国的国内法规及执行上。满足这些限制的手段之一是利用功率因数改善电路(PFC),将输入电流波形变为接近正弦波,从而抑制高频电流。
作为这种功率因数改善的手段,一般采用使用了无源元件(电感)的无源方式和使功率元器件开关的有源方式。
无源方式的电路结构简单,但难以满足更宽的输入电压范围,小型化也很难。与之相对的有源方式则可满足更宽的输入电压范围,有利于小型化(图3)。

功率因数改善前后的电流波形比较
[图3] 功率因数改善前后的电流波形比较

这种有源方式的功率因数改善电路(PFC)从效率的角度看,因自身功耗而导致效率下降。尤其在具有待机模式的现代电子设备中尤为显著。

2. 同时实现功率因数改善电路与高效率
ROHM开发出了同时实现功率因数改善电路与高效率的、内置PFC控制功能的AC/DC转换器IC(BM1C001F)。本产品搭载了以任意功率开/关功率因数改善电路(PFC)控制器的功能和PFC输出新控制方式。通过这些技术,不仅大幅降低了待机功耗,而且还有助于满足国际标准能源之星6.0所规定的水平。另外,通过集成功率因数改善电路(PFC)控制器与准谐振电路(QR)控制器,与以往相比,还可减少20%的零部件数量,有助于实现电源的小型化。

<新产品的特点>

(1)通过搭载PFC控制器ON/OFF设定功能,改善了轻负载时的转换效率,并降低了待机时功耗(图4)

PFC控制器ON/OFF设定功能图
[图4] PFC控制器ON/OFF设定功能图

・监测二次侧的负载功率,并针对该功率对PFC控制器进行ON/OFF控制,
尤其有助于提升在无需PFC的负载范围(75W以下)的电源转换效率。
・在100W级的电源中使用本IC产品时,使用我公司的评估板,待机功耗在AC100V时为85mW以下,
AC230V时为190mW以下,满足能源之星6.0(美国环境保护署制定)所规定的210mW以下的要求。

(2)利用ROHM独有的PFC输出新控制方式,针对世界各国的AC输入电源均可实现更高效率(图5)

 PFC输出新控制方式图
[图5] PFC输出新控制方式图

・世界各国的AC电源输入范围不同,以往的PFC IC的输出电压设定是恒定的,因此,当升压比较大时(例如,AC100V输入时的PF输出为400V时等),会导致开关损耗增大,效率降低。本产品通过搭载PFC输出新控制方式,输出符合AC输入电压的PFC输出电压,从而可抑制功率因数改善电路(PFC)的效率降低现象。
例如,100W级的电源中,队AC100V输入时的效率进行比较,与PFC输出固定的情况相比,预计转换效率可提升约2%。 

(3)采用有利于高效率、低噪音的准谐振电路
这种方式,由于有助于实现软开关和低EMI的开关MOSFET和电流检测电阻为外置方式,因此,电源设计的自由度更高。另外,内置脉冲功能,实现了轻负载高效率。

(4)功率因数改善电路(PFC)控制器与准谐振电路(QR)一体化封装,使零部件数量大大减少
通过一体化封装,可减少通用设计部分的零部件数量,与各自独立的情况相比,零部件数量成功减少约20%。

3. 卓越的电源产品开发体制与完善的服务支持体制
在设计电源电路时,并非仅有好的IC即可组成好的电源。要想打造最佳的电源电路,除了IC选型以外,还需要电容、线圈和变压器绕组设计等无源器件的选型以及PCB底片(Artwork)等众多设计诀窍。因此,选择能够支持其应用设计的制造商与选择IC同等重要。
ROHM不仅开发并销售LSI产品,还备有支持客户设计的专职队伍。可配合用户要求的规格(输出电压、输出电流等),提供最佳的电源设计方案。
他们将与AC/DC转换器、DC/DC转换器以及MOSFET、二极管、电阻等分立元件一起为客户提供综合电路设计支持。

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