功率因數(shù)改善和輕負載時的高效率兼顧

如今，“節(jié)能化”已成為全球共同面臨的課題，對于電子設備的功耗要求也越來越高，不僅要求削減運行時的功耗，對降低待機功耗也有嚴格的要求。另外，為了削減供電過程中的浪費，內置PFC（功率因數(shù)校正）功能已成為標配。

然而，使用PFC尤其會導致待機時和輕負載時的效率下降，從而使設備設計時“功率因數(shù)”和“效率”的矛盾權衡成為一個很大的課題。在這種背景下，ROHM采用獨有的電源控制技術，開發(fā)出同時改善了設備的功率因數(shù)并提高了待機時效率的AC/DC轉換器IC。

就改善功率因數(shù)和提高效率的課題及其解決方法，我們采訪了ROHM株式會社的負責工程師。－我們直接進入主題，此次的主題是“功率因數(shù)改善和輕負載時的高效率兼顧”，因此，請您先簡單介紹一下“功率因數(shù)”和“效率”可以嗎？近年來，“效率”一詞已被廣泛使用，可“功率因數(shù)”這個詞可能很少被公眾使用。效率是輸出功率與輸入功率的比值，大多數(shù)情況下用“%”來表示。

舉個簡單的例子，當電源的輸出功率為60W時，如果輸入功率（功耗）為80W，則通過60W/80W得出效率為75%。這應該是很容易理解的。而功率因數(shù)涉及到交流的視在功率、有功功率、無功功率，可能稍微有些復雜。功率因數(shù)本身是有功功率與視在功率的比值，最大值為1。

功率因數(shù)多用0.9或0.95之類的小數(shù)來表示。視在功率是電力公司傳輸電力的功率，也稱“表觀功率”。有功功率是指設備（即負載）使用的功率。比如，以前面提到的電源為例，如果電源（設備）使用（消耗）的功率（有功功率）為80W，為了確保這80W，假設電力公司傳輸電力的功率（視在功率）為100W，則通過80W/100W計算得出功率因數(shù)為0.8。由于是交流電，所以功率因數(shù)可通過矢量來分析。

設交流電的電壓和電流相位為θ，則功率因數(shù)可通過COSθ求出，在沒有電壓和電流相位差的狀態(tài)下，正弦波的情況下為1。僅通過語言描述比較難懂，所以請看下圖。

負載為純電阻時，不發(fā)生相位滯后，所以功率因數(shù)為1。有容性負載或感性負載時，或波形不是正弦波時，產(chǎn)生相位滯后，功率因數(shù)不是1。下面通過此次的主題—開關方式AC/DC轉換器的輸入電壓和電流波形來思考一下。開關電源中會使用電容來實現(xiàn)輸入端的交流電壓濾波（稱為“電容輸入型整流濾波”）。這種濾波用的電容，自然就是容性負載。輸入到該電容的交流電流，僅在輸入交流電壓高于濾波電容電壓時會有，如下圖所示，這種電流中含有導通角小、脈沖一樣的非正弦波高頻分量。

在這種狀態(tài)下，即使功耗相同，由于在電源端會流過瞬時大電流，因此設Cin=100μF、Vin=100Vrms、Po=20W時，輸入電流的峰值為1.4A。功率因數(shù)約為0.5，與功率因數(shù)為1時相比是5倍。所以，對于含有這類高頻分量的非正弦波電流的負載來說，需要較大的視在功率，負責電力供給的電力公司需要能夠應對多余發(fā)電和高峰值功率的設備，成本也相應地增加。

－簡單地說也就是如果設備電源的功率因數(shù)較差，則需要供給高于其功耗的電力，會導致發(fā)電和輸電過程中的浪費增加對吧。的確如此。針對功率因數(shù)低的問題，世界各國已經(jīng)開始采取措施，比如很多國家對功耗超過指定功率的設備，執(zhí)行高頻電流法規(guī)等，通過法律法規(guī)來制約。滿足這種法規(guī)的方法之一就是使用功率因數(shù)校正電路（PFC），提高功率因數(shù)，抑制高頻電流。

在歐洲已經(jīng)規(guī)定75W以上的設備中必須配備PFC，在日本也是幾乎都已經(jīng)配置PFC。－PFC是怎樣提高功率因數(shù)的呢？PFC主要分使用無源元件（電感）的無源型和使用MOSFET等功率開關的有源型兩種類型。這張圖是利用有源PFC電路改善電流波形的示意圖。具有很高峰值的脈沖一樣的電流波形,經(jīng)過開關工作斬波后接近正弦波。

在特征方面，無源型PFC的電路結構比較簡單，但難以應對更寬的輸入電壓范圍，并且難以小型化。而有源型PFC可以支持廣泛的輸入電壓范圍，在小型化方面也頗具優(yōu)勢。被稱為“PFC控制器”等的IC，當然是有源型的。

－接下來，想請您談談此次的主題“功率因數(shù)改善和高效率兼顧”這個話題，這是否意味著“采用PFC電路的話效率就會下降”？

配置有源方式的PFC電路，相應的功耗會增加，效率自然會下降。尤其是如今擁有待機模式的電子設備，PFC電路的功耗對待機的效率影響較為顯著。針對這個課題，ROHM推出了一款內置PFC控制功能的AC/DC轉換器用控制器IC“BM1C101F”。BM1C101F采用準諧振方式，特點是具有可使內置PFC控制器在設置的功率ON/OFF的功能，以及可切換PFC輸出的新控制方式。利用這些技術，不僅可大幅削減待機功耗，還滿足了國際標準Enegy Star6.0的要求。