根據(jù)定義，交流電源的功率因數(shù)（PF）定義為流入負(fù)載的實(shí)際功率（瓦）與電路中的視在功率之比，它是電流和電壓的乘積。它表示為PF =實(shí)際功率（W）/視在功率（VA）。 PF方程表明它是介于0和1之間的數(shù)字。因此，當(dāng)電流和電壓同相和正弦時(shí)，PF為1.但是，如果兩者都是正弦但不同相，則視在功率大于實(shí)際值。功率和PF是電流和電壓波形之間的相角的余弦。在實(shí)踐中，PF = 1是負(fù)載是純電阻和線性的理想情況。實(shí)際上，電子系統(tǒng)中的離線AC/DC電源是開(kāi)關(guān)模式，呈現(xiàn)非線性負(fù)載。

由于目前大多數(shù)電源都是開(kāi)關(guān)模式，因此它們會(huì)產(chǎn)生非正弦波形，從而產(chǎn)生輸入電流和電壓之間的相位角。當(dāng)電流波形不跟隨電壓波形時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致PF低于1.除了功率損耗之外，《1 PF會(huì)導(dǎo)致諧波沿中性線傳播并破壞連接到交流電源線的其他設(shè)備。 PF數(shù)越低，AC線上的諧波含量越高，反之亦然。因此，有嚴(yán)格的規(guī)定來(lái)限制交流電源線上允許的諧波失真。例如，歐洲的EN61000-3-2 ［1］被引入以限制將電子設(shè)備反射的諧波發(fā)送回電源。它適用于所有D類電子系統(tǒng)，如PC（包括筆記本電腦和PC顯示器），以及消耗超過(guò)75 W的無(wú)線電和電視接收器.D類是四類（A，B，C和D）之一按EN61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)分類，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每個(gè)等級(jí)施加不同的諧波電流限制。該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已在國(guó)際上被接受。

為了符合EN61000-3-2等法規(guī)的諧波要求并保持較高的整體PF性能，有必要在電子系統(tǒng)中使用的AC/DC前端轉(zhuǎn)換器模塊中加入功率因數(shù)校正（PFC）功耗超過(guò)75 W.實(shí)現(xiàn)PFC可實(shí)現(xiàn)高PF值并確保低諧波。正如我們將要看到的，目前有許多無(wú)源和有源技術(shù)可用于AC前端采用的眾多電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

無(wú)源PFC

如安森美半導(dǎo)體公布的功率因數(shù)校正手冊(cè)第一章所述［2］，控制諧波電流的最簡(jiǎn)單方法是使用僅在線路頻率下通過(guò)電流的無(wú)源濾波器（例如，50或60赫茲）。該濾波器降低了諧波電流，這意味著非線性器件現(xiàn)在看起來(lái)像線性負(fù)載。使用內(nèi)置電容器和電感器的濾波器，功率因數(shù)可以接近一致。然而，缺點(diǎn)是濾波器需要大值的高電流電感器和高壓電容器，其體積大且昂貴。

圖1顯示了三種不同250 W PC電源的輸入諧波，與根據(jù)EN/IEC61000-3-2 D類設(shè)備規(guī)范的限值進(jìn)行了比較。諧波幅度與這些設(shè)備的輸入功率成比例。如圖所示，無(wú)源PFC的性能幾乎不符合三次諧波的限制。帶有源PFC的單元符合并優(yōu)于IEC61000-3-2規(guī)范。

圖1：相比之下，帶有源PFC控制器的電源優(yōu)于被動(dòng)式PFC超過(guò)電源線諧波的IEC61000-3-2規(guī)范。 （由安森美半導(dǎo)體公司提供。）盡管設(shè)計(jì)和使用簡(jiǎn)單，但無(wú)源PFC電路有一些缺點(diǎn)。首先，電感器的體積限制了它在許多應(yīng)用中的可用性。其次，對(duì)于全球運(yùn)行，需要線電壓范圍開(kāi)關(guān)。如果沒(méi)有正確地進(jìn)行開(kāi)關(guān)選擇，則開(kāi)關(guān)的結(jié)合使得器具/系統(tǒng)易于發(fā)生操作員錯(cuò)誤。最后，未被調(diào)節(jié)的電壓軌導(dǎo)致在PFC級(jí)之后的DC/DC轉(zhuǎn)換器的成本和效率損失。

有源PFC

除性能外，銅和磁芯材料的成本上升，加上半導(dǎo)體成本的下降，使得有源PFC解決方案的平衡趨于平衡，即使在對(duì)成本最敏感的消費(fèi)設(shè)備中也是如此。在下面的方案中（圖2），有源PFC電路放置在輸入整流器和存儲(chǔ)電容之間，然后是DC/DC轉(zhuǎn)換器。具有相關(guān)電路的PFC IC對(duì)輸入電流進(jìn)行整形，以匹配輸入電壓波形，實(shí)現(xiàn)0.9和更高的PF。

圖2：有源PFC控制器電路位于輸入整流器和存儲(chǔ)電容之間。 （由安森美半導(dǎo)體提供。）從根本上說(shuō)，有三種不同類型的有源PFC控制器芯片。這些包括臨界傳導(dǎo)模式（CrM），連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）和不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）。有幾家制造商提供各種這些有源PFC IC，但每個(gè)供應(yīng)商都提供自己的版本和使用它們的理由。

CrM控制方案將電感電流保持在連續(xù)和不連續(xù)傳導(dǎo)之間的臨界極限。因此，一些供應(yīng)商更喜歡將其稱為邊界傳導(dǎo)模式或BCM。由于在該方案中總是知道波形，所以平均電流和峰值電流之間的關(guān)系也是已知的。安森美半導(dǎo)體為高達(dá)300 W的中等功率應(yīng)用提供各種電壓模式CrM PFC IC。此類別中的最新產(chǎn)品是MC34262/MC33262控制器。

另一家CrM PFC控制器供應(yīng)商是Fairchild Semiconductor。其FAN6920MR在單個(gè)封裝中集成了CrM PFC控制器和準(zhǔn)諧振PWM控制器。對(duì)于PFC，F(xiàn)AN6920MR使用受控的導(dǎo)通時(shí)間技術(shù)來(lái)提供穩(wěn)定的DC輸出電壓，以及執(zhí)行功率因數(shù)校正。

由于峰值電流應(yīng)力較低，同時(shí)紋波電流減小，濾波任務(wù)更容易，因此CCM控制在許多應(yīng)用中廣泛使用，范圍從中等功率到高功率應(yīng)用。一些提供基于CCM的PFC控制器的主要供應(yīng)商包括Fairchild Semiconductor，Infineon Technologies，International Rectifier，NXP Semiconductor，ON Semiconductor，Power Integrations和Texas Instruments。

在DCM空間（也是中低功率應(yīng)用的首選）中，Cirrus Logic采用數(shù)字技術(shù)創(chuàng)建了一種非連續(xù)模式有源PFC控制器，無(wú)需多個(gè)無(wú)源元件即可實(shí)現(xiàn)低成本適用于PC，筆記本適配器和數(shù)字電視接收器的PFC解決方案。 CS1500（圖3）采用可變導(dǎo)通時(shí)間和可變頻率算法，以實(shí)現(xiàn)接近單位功率因數(shù)和低EMI輻射，從而簡(jiǎn)化EMI濾波。

圖3：Cirrus Logic的數(shù)字PFC控制器執(zhí)行自適應(yīng)數(shù)字算法，將交流電源輸入電流波形整形為與輸入電壓波形同相。