原创 消除使用 PFC 升压转换器系统中的噪声源

作者：飞兆半导体 Youngbae Park 和 Donghye Cho

在支持任何可能电压的壁装插座（85V 至 265V 交流电）系统中，使用功率因数校正 (PFC) 升压转换器会在高输入电压和低负荷时造成不想要的升压操作。这种情况可能造成系统产生听得见的嗡嗡声或在显示屏上产生令人烦乱的闪烁。

嗡嗡声和闪烁都是由于升压拓扑结构要求输出电压要高于输入电压而产生的极为无耐的副作用。在 85V 至 265V 交流电压的通用范围（考虑了容差），PFC 输出电压一般固定在直流电压 400V 左右。拥有固定的转换器电压输出就意味着增益和控制电压需要变化很大才能适应不同的输入电压。等式 1 给出了输入电压和导通时间（=控制电压）间的关系。

等式 1

例如，当输入电压较低时，假如输入电压上升导致导通时间是实际所需要的时间的三倍，那么控制电压将下降至它的 1/9。图 1 展示了在流行的临界导通模式 (CRM) 操作模式系统中，在最大输入电压和最小负载这种最糟糕状况期间可能会发生的情况。为了调节输出，控制电压周期性地下降至开关停止电平。这造成了输入电流远 远偏离了正弦曲线，也就是在此时产生了嗡嗡声和闪烁。

图 1. 输入电压剧烈变化造成的控制范围问题

图 2 展示了输入电压为 230V 交流电压和负载为额定负载 20% 或 39W 时，PFC 升压转换器的工作波形。这种突发频率（约 20Hz）及其相近频率很容易降至可听见噪声范围。此外，由于PFC 输出电压在波动，这可能对下游 DC-DC 级产生有害影响。

图 2. 高输入电压低负荷时 PFC 升压转换器的正常工作状态

控制范围补偿

为了解决这一问题，我们开发了一项技术，称为控制范围补偿，作用于控制电压开启时产生的锯齿波形。

为了产生脉宽调制 (PWM) 工作的导通时间，系统会对比锯齿波振荡器和直流电平。锯齿波形是由恒流源和电容共同产生的。当“导通”状态被触发开始工作（使用周期性或任意触发信号） 时，恒流源增加锯齿波发生器的电压直到它到达被控制的直流电平。这样就结束了“导通”状态。为了确保在下次“导通”状态前无开关动作发生，可以将锯齿波发 生器输出钳在低位。

短暂的接通时间意味着受控直流电平较低，且接近开关停止电平。导通时间可以根据锯齿波形的斜率进行更改，甚至是 在受控的直流电平等于转换停止电平时。增加锯齿波形的斜率可以缩短导通时间。通过调节斜率就可以调节导通时间，甚至是当直流电平固定不变时。当导通时间保 持不变时，也可以控制直流电压。图 3 所示说明了控制范围补偿，展示了在不改变导通时间的情况下如何增大控制电压。

图 3. 操纵锯齿波形，在不改变导通时间的情况下增大控制电压

为了验证我们的方法，我们开发了 200W PFC 升压转换器，如表 1 中所述。

表 1 被测转换器的规格

图 4 展示了我们的设计较之传统系统可支持更广范围的控制电压变化。

(a)      传统方式下控制电压变化

(b)     拟议方式下控制电压变化

图 4. 轻载时控制电压比较

结论

功率因数校正 (PFC) 是一种令电网传输更加有效的方法，甚至是在轻负荷时。功率因数校正 (PFC)升压转换器已成为一种广受欢迎的选择，因为它不像降压转换器或降压-升压转换器，它们可轻松地均衡输入电流，不会在接近交流电零点时产生死区。 然而，在支持通用输入电压范围的系统中使用 PFC 升压转换器可能会在高压轻载时造成不必要的突发性操作。设计者可以通过控制范围补偿来避免这种情况，从而开发能交付更佳性能的系统，支持壁装插座适用的广 泛电压范围。