電信應(yīng)用中的電力傳輸系統(tǒng)現(xiàn)在必須應(yīng)對(duì)大量高電流CPU，可能消耗數(shù)百瓦的電力。為了提高效率，電信PSU采用開(kāi)關(guān)拓?fù)鋵㈦娋W(wǎng)電源轉(zhuǎn)換為48 V DC輸出，然后分配給系統(tǒng)其余部分的線卡。問(wèn)題在于開(kāi)關(guān)模式電源由于其輸入電路的結(jié)構(gòu)而對(duì)電網(wǎng)呈現(xiàn)非線性阻抗。

輸入電路通常包括一個(gè)半波或全波整流器，后面是一個(gè)存儲(chǔ)電容，可將電壓維持在接近輸入正弦波峰值電壓的值。它由后續(xù)的半波充電。當(dāng)電網(wǎng)電源達(dá)到峰值時(shí)，此拓?fù)鋬H從輸入中提取電流;該脈沖包含足夠的能量來(lái)維持負(fù)載，直到下一個(gè)峰值。電流脈沖可以持續(xù)不超過(guò)周期的四分之一，并且在脈沖期間提供的電流必須至少是平均電流的四倍。

與正弦輸入相比，產(chǎn)生的電流波形會(huì)因大量強(qiáng)諧波而嚴(yán)重失真。只有基波分量才能產(chǎn)生實(shí)際功率 - 剩余的峰值負(fù)責(zé)視在功率。這種差異由功率因數(shù)表示，對(duì)于所有情況，除了純正弦波之外，功率因數(shù)將小于1。

諧波失真會(huì)對(duì)同一電源上的其他負(fù)載產(chǎn)生不利影響。失真的電流導(dǎo)致電線和配電裝置中的額外加熱。因此，除了公用事業(yè)公司在高功率設(shè)備上施加的控制之外，全球范圍內(nèi)的立法還限制了開(kāi)關(guān)模式PSU的諧波失真。歐洲和日本提供的輸入功率要求為75 W或更高的電氣設(shè)備必須符合IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了線頻諧波的最大幅度，包括39次諧波。由于核心電信交換機(jī)負(fù)責(zé)高負(fù)載，因此需要限制諧波失真并保持高功率因數(shù)。

功率因數(shù)校正（PFC）可以對(duì)PSU的輸入電流進(jìn)行整形，以最大化來(lái)自電網(wǎng)的實(shí)際功率水平，并最大限度地減少諧波失真。理想情況下，電氣設(shè)備應(yīng)提供類似于電阻器的負(fù)載，而不是裸開(kāi)關(guān)模式PSU的無(wú)功負(fù)載。電流波形將采用與AC輸入相同的正弦波輪廓而不是一系列窄峰，而是與其同相。這種經(jīng)過(guò)校正的波形可以最大限度地減少損耗以及對(duì)來(lái)自同一電源的其他設(shè)備的干擾。

電信系統(tǒng)的PSU通常設(shè)計(jì)為具有兩級(jí)結(jié)構(gòu)。前端級(jí)用于PFC，而第二級(jí)是DC/DC轉(zhuǎn)換電路，提供所需的穩(wěn)壓直流輸出。原則上，簡(jiǎn)單的電感器可以為許多開(kāi)關(guān)模式PSU提供足夠的PFC。電感器的作用是及時(shí)將電流擴(kuò)散出去，從而將諧波降低到足以滿足大多數(shù)規(guī)定的程度。缺點(diǎn)是電感需要相對(duì)較大 - 在人口密集的電信服務(wù)器或交換機(jī)的背景下，其尺寸和成本通常是不可接受的。

圖1：典型電信PSU的兩級(jí)架構(gòu)，顯示PFC預(yù)調(diào)節(jié)器和DC/DC穩(wěn)壓器級(jí)。

實(shí)際上，電信系統(tǒng)中的PFC級(jí)本身就是一個(gè)開(kāi)關(guān)模式的PSU。最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是升壓轉(zhuǎn)換器，它為純無(wú)源PFC實(shí)現(xiàn)的串聯(lián)電感增加了開(kāi)關(guān)功率控制電路。升壓轉(zhuǎn)換器保持連續(xù)輸入電流 - 可以強(qiáng)制跟蹤線電壓的變化以保持高功率因數(shù)。然而，在廣泛的升壓轉(zhuǎn)換器類別中，有許多電路架構(gòu)可供電信PSU設(shè)計(jì)人員對(duì)效率進(jìn)行高度控制，這是能源之星等標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)推動(dòng)PSU損失的關(guān)鍵考慮因素。

許多支持連續(xù)傳導(dǎo)的PFC控制器 - 一種最小化電流應(yīng)力的技術(shù) - 并使用平均電流模式控制來(lái)實(shí)現(xiàn)平滑的輸出波形。 International Rectifier的IR1152是一款采用該公司單周期控制算法的平均電流模式控制器。

單周期控制算法使用兩個(gè)控制回路：慢速外部電壓回路和快速內(nèi)部電流回路。外部電壓環(huán)監(jiān)控電壓檢測(cè)引腳并產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)，控制饋入PFC轉(zhuǎn)換器的電流量。內(nèi)部電流環(huán)路保持所需的正弦曲線，逐周期控制峰值電流。

英飛凌ICE2PCS02G可在輕負(fù)載條件下從連續(xù)導(dǎo)通模式切換到離散導(dǎo)通模式，從而產(chǎn)生更高的諧波，但仍保持在法定范圍內(nèi)并保持高效率。 IR1152和ICE2PCS02G都有許多保護(hù)電路，以防止電壓過(guò)低和過(guò)壓情況。

另一種策略是使用臨界，過(guò)渡或邊界傳導(dǎo)模式 - 這種方案在低功率系統(tǒng)中很流行。然而，交錯(cuò)的使用使得可以并行地使用級(jí)以增加總輸出功率并且仍然獲得使用較小無(wú)源組件的優(yōu)點(diǎn)。這種并聯(lián)轉(zhuǎn)換器可以彼此異相操作，以在輸出端求和時(shí)最小化紋波電流。這反過(guò)來(lái)又降低了輸出濾波要求。

圖2：穩(wěn)壓器產(chǎn)生的電流由邊界導(dǎo)通模式中的一系列斜坡提供輸入電壓的曲線，按所需的功率電平換算k倍。在此模式下，每個(gè)斜坡在最后一次完成時(shí)立即啟動(dòng)。

與連續(xù)導(dǎo)通模式相比，控制通過(guò)電路的電流的脈沖寬度調(diào)制輸出不能以固定頻率工作。相反，由電壓感測(cè)通道提供的誤差信號(hào)用于控制每個(gè)電流脈沖何時(shí)結(jié)束。在周期開(kāi)始時(shí)，電源開(kāi)關(guān)閉合，升壓轉(zhuǎn)換器電感電流上升，直到達(dá)到電壓基準(zhǔn)電壓。此時(shí)，電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)，電流斜坡下降，直到達(dá)到零。當(dāng)電感中的電流降至零時(shí)，電壓上的電流也會(huì)降至零。此時(shí)，周期再次開(kāi)始，導(dǎo)致名稱邊界傳導(dǎo)，因?yàn)殡姼衅鞅３衷谶B續(xù)和不連續(xù)傳導(dǎo)之間的狀態(tài)，其中通過(guò)電感器的電流可以保持零一段時(shí)間。

意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）生產(chǎn)的L6563采用過(guò)渡模式電路。該器件通過(guò)使用電壓前饋功能增強(qiáng)了環(huán)路穩(wěn)定性，改善了瞬態(tài)響應(yīng)以及電網(wǎng)電壓降和浪涌的處理。過(guò)壓保護(hù)電路可在浪涌期間控制電壓。 L6563支持對(duì)PFC預(yù)調(diào)節(jié)器作為主站或從站的系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)控制。如果PFC級(jí)出現(xiàn)問(wèn)題，則第二級(jí)DC/DC的PWM控制器的接口可以使轉(zhuǎn)換器停止。它還在極輕負(fù)載條件下禁用PFC預(yù)調(diào)節(jié)器，以防止效率下降太多。

Cirrus Logic CS1501將在完全不連續(xù)和臨界傳導(dǎo)形式之間切換。其正常工作模式是不連續(xù)的，在峰值時(shí)段切換到準(zhǔn)臨界模式，適用于PSU額定功率高達(dá)300 W的小型電信系統(tǒng)。噪聲整形技術(shù)有助于最大限度地減少電氣干擾并減小濾波元件的尺寸。

圖3：隨著功率要求的變化，CS1501在非連續(xù)模式和準(zhǔn)邊界導(dǎo)通模式之間切換。電流斜坡在不連續(xù)模式下分離。

傳統(tǒng)的連續(xù)導(dǎo)通模式架構(gòu)使用標(biāo)準(zhǔn)的基于二極管的橋或半橋電路來(lái)整流PFC模塊前的輸入。然而，在高負(fù)荷條件下，這座橋通常會(huì)導(dǎo)致約2％的損失。無(wú)橋PFC架構(gòu)被認(rèn)為是消除這些損失的一種方式。然而，無(wú)橋接方法通常涉及更復(fù)雜的控制技術(shù)，并且需要注意避免產(chǎn)生過(guò)多的電磁干擾。

解決無(wú)橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜問(wèn)題的一種方法是采用半無(wú)橋設(shè)計(jì)。采用這種方法，PFC電感器分成兩個(gè)較小的單元，每個(gè)單元連接到不同的開(kāi)關(guān)電路 - 一個(gè)用于正電網(wǎng)電壓，另一個(gè)用于負(fù)電路。二極管用于將PFC輸出地連接到輸入線，并且還提供返回路徑以防止輸入線電壓相對(duì)于地浮動(dòng)，這導(dǎo)致輸入電壓在完全無(wú)橋中用作感測(cè)輸入的問(wèn)題設(shè)計(jì)。

圖4：典型半無(wú)橋PFC電路的架構(gòu)

德州儀器UCC28070是一款連續(xù)導(dǎo)通模式PFC控制器，通過(guò)集成兩個(gè)PWM電路彼此異相工作，適合半無(wú)橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及更傳統(tǒng)的交錯(cuò)設(shè)計(jì)。為了克服在無(wú)橋拓?fù)渲懈y以實(shí)現(xiàn)的電流檢測(cè)問(wèn)題，UCC28070的電流合成器可以在關(guān)斷期間結(jié)合使用導(dǎo)通周期采樣和下降斜率仿真，以便電感器的狀態(tài)可以在整個(gè)切換周期中重新創(chuàng)建。

隨著PFC和效率的推動(dòng)，我們可以期待更多的解決方案以新穎的方式結(jié)合模式和拓?fù)洹?IC供應(yīng)商已經(jīng)有各種各樣的實(shí)施方案，為電信系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了廣泛的選擇。