如何維持電信交換機的高功率因數(shù)

電信應用中的電力傳輸系統(tǒng)現(xiàn)在必須應對大量高電流CPU，可能消耗數(shù)百瓦的電力。為了提高效率，電信PSU采用開關(guān)拓撲將電網(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。問題在于開關(guān)模式電源由于其輸入電路的結(jié)構(gòu)而對電網(wǎng)呈現(xiàn)非線性阻抗。

輸入電路通常包括一個半波或全波整流器，后面是一個存儲電容，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。當電網(wǎng)電源達到峰值時，此拓撲僅從輸入中提取電流;該脈沖包含足夠的能量來維持負載，直到下一個峰值。電流脈沖可以持續(xù)不超過周期的四分之一，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)生的電流波形會因大量強諧波而嚴重失真。只有基波分量才能產(chǎn)生實際功率 - 剩余的峰值負責視在功率。這種差異由功率因數(shù)表示，對于所有情況，除了純正弦波之外，功率因數(shù)將小于1。

諧波失真會對同一電源上的其他負載產(chǎn)生不利影響。失真的電流導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標準。該標準規(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負責高負載，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PSU的輸入電流進行整形，以最大化來自電網(wǎng)的實際功率水平，并最大限度地減少諧波失真。理想情況下，電氣設(shè)備應提供類似于電阻器的負載，而不是裸開關(guān)模式PSU的無功負載。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)過校正的波形可以最大限度地減少損耗以及對來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)計為具有兩級結(jié)構(gòu)。前端級用于PFC，而第二級是DC/DC轉(zhuǎn)換電路，提供所需的穩(wěn)壓直流輸出。原則上，簡單的電感器可以為許多開關(guān)模式PSU提供足夠的PFC。電感器的作用是及時將電流擴散出去，從而將諧波降低到足以滿足大多數(shù)規(guī)定的程度。缺點是電感需要相對較大 - 在人口密集的電信服務器或交換機的背景下，其尺寸和成本通常是不可接受的。

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

實際上，電信系統(tǒng)中的PFC級本身就是一個開關(guān)模式的PSU。最常用的拓撲結(jié)構(gòu)是升壓轉(zhuǎn)換器，它為純無源PFC實現(xiàn)的串聯(lián)電感增加了開關(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)計人員對效率進行高度控制，這是能源之星等標準繼續(xù)推動PSU損失的關(guān)鍵考慮因素。

許多支持連續(xù)傳導的PFC控制器 - 一種最小化電流應力的技術(shù) - 并使用平均電流模式控制來實現(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)控電壓檢測引腳并產(chǎn)生一個誤差信號，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可在輕負載條件下從連續(xù)導通模式切換到離散導通模式，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都有許多保護電路，以防止電壓過低和過壓情況。

另一種策略是使用臨界，過渡或邊界傳導模式 - 這種方案在低功率系統(tǒng)中很流行。然而，交錯的使用使得可以并行地使用級以增加總輸出功率并且仍然獲得使用較小無源組件的優(yōu)點。這種并聯(lián)轉(zhuǎn)換器可以彼此異相操作，以在輸出端求和時最小化紋波電流。這反過來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，每個斜坡在最后一次完成時立即啟動。

與連續(xù)導通模式相比，控制通過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，由電壓感測通道提供的誤差信號用于控制每個電流脈沖何時結(jié)束。在周期開始時，電源開關(guān)閉合，升壓轉(zhuǎn)換器電感電流上升，直到達到電壓基準電壓。此時，電源開關(guān)打開，電流斜坡下降，直到達到零。當電感中的電流降至零時，電壓上的電流也會降至零。此時，周期再次開始，導致名稱邊界傳導，因為電感器保持在連續(xù)和不連續(xù)傳導之間的狀態(tài)，其中通過電感器的電流可以保持零一段時間。

意法半導體（STMicroelectronics）生產(chǎn)的L6563采用過渡模式電路。該器件通過使用電壓前饋功能增強了環(huán)路穩(wěn)定性，改善了瞬態(tài)響應以及電網(wǎng)電壓降和浪涌的處理。過壓保護電路可在浪涌期間控制電壓。 L6563支持對PFC預調(diào)節(jié)器作為主站或從站的系統(tǒng)進行遠程開/關(guān)控制。如果PFC級出現(xiàn)問題，則第二級DC/DC的PWM控制器的接口可以使轉(zhuǎn)換器停止。它還在極輕負載條件下禁用PFC預調(diào)節(jié)器，以防止效率下降太多。

Cirrus Logic CS1501將在完全不連續(xù)和臨界傳導形式之間切換。其正常工作模式是不連續(xù)的，在峰值時段切換到準臨界模式，適用于PSU額定功率高達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)模式和準邊界導通模式之間切換。電流斜坡在不連續(xù)模式下分離。

傳統(tǒng)的連續(xù)導通模式架構(gòu)使用標準的基于二極管的橋或半橋電路來整流PFC模塊前的輸入。然而，在高負荷條件下，這座橋通常會導致約2％的損失。無橋PFC架構(gòu)被認為是消除這些損失的一種方式。然而，無橋接方法通常涉及更復雜的控制技術(shù)，并且需要注意避免產(chǎn)生過多的電磁干擾。

解決無橋拓撲結(jié)構(gòu)復雜問題的一種方法是采用半無橋設(shè)計。采用這種方法，PFC電感器分成兩個較小的單元，每個單元連接到不同的開關(guān)電路 - 一個用于正電網(wǎng)電壓，另一個用于負電路。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于地浮動，這導致輸入電壓在完全無橋中用作感測輸入的問題設(shè)計。

圖4：典型半無橋PFC電路的架構(gòu)

德州儀器UCC28070是一款連續(xù)導通模式PFC控制器，通過集成兩個PWM電路彼此異相工作，適合半無橋拓撲結(jié)構(gòu)以及更傳統(tǒng)的交錯設(shè)計。為了克服在無橋拓撲中更難以實現(xiàn)的電流檢測問題，UCC28070的電流合成器可以在關(guān)斷期間結(jié)合使用導通周期采樣和下降斜率仿真，以便電感器的狀態(tài)可以在整個切換周期中重新創(chuàng)建。

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