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开关电源功率因数校正（PFC）电路

功率因数校正（Power Factor Correction, PFC）电路用于提高开关电源的功率因数，减少谐波污染，提高电能利用效率。

功率因数校正的作用

提高功率因数：

传统开关电源的输入电流波形与电压波形不同步，导致功率因数较低通常为0.5-0.7。

PFC电路通过调整输入电流波形，使其与电压波形同步，将功率因数提高到接近1。

减少谐波污染：

无PFC的开关电源会产生大量谐波，污染电网。

PFC电路可以显著降低谐波含量，满足国际标准IEC 61000-3-2。

提高电能利用效率：

高功率因数意味着更高的电能利用效率，减少无功功率损耗。

PFC电路的分类

1. 无源PFC（Passive PFC）

工作原理：

使用电感和电容组成LC滤波器，调整输入电流波形。

优点，结构简单，成本低。

缺点，功率因数提升有限通常为0.7-0.8，体积较大。

适用场景，低功率、低成本应用。

2. 有源PFC（Active PFC）

工作原理：

使用开关器件MOSFET和控制电路，动态调整输入电流波形，使其与电压波形同步。

优点，功率因数高可达0.99，谐波含量低。

缺点，结构复杂，成本较高。

适用场景，中高功率、高效率应用。

有源PFC电路的工作原理

升压型PFC（Boost PFC）：

电路结构，由Boost变换器，电感、开关管、二极管和电容组成。

工作原理，通过控制开关管的导通和截止，调整输入电流波形，使其与输入电压波形同步。

输出电压高于输入电压，适用于宽输入电压范围。

优点，效率高，功率因数接近1。

缺点，输出电压较高，需额外降压电路。

控制方式：

平均电流控制，通过检测输入电流和电压，调整开关管的占空比，使输入电流波形与电压波形同步。

峰值电流控制：通过检测电感电流的峰值，控制开关管的导通和截止。

PFC电路的设计要点

电感设计：电感值的选择影响电流纹波和效率，需根据输入电压、输出功率和开关频率计算。

开关器件选择：选择低导通电阻和快速开关的MOSFET，以提高效率。

控制IC选择：选择集成PFC控制功能的IC、UC3854、L6562等，简化设计。

输入滤波，使用EMI滤波器减少开关噪声对电网的干扰。

输出电容，选择合适的输出电容，确保输出电压稳定。

典型的3845原理示意图

这是一个包含输入滤波、整流、功率变换及控制部分的开关电源电路，工作原理如下：

输入滤波部分

共模电感L1A、L1B：L1A 和 L1B 组成共模电感，能抑制共模干扰信号。共模干扰是指两条电源线（L、N）相对于大地的干扰，共模电感通过在两个绕组上产生大小相等、方向相反的感应电动势，阻碍共模电流通过，提高电源输入的纯净度。

差模电感L2、L3：用于抑制差模干扰，差模干扰是两条电源线之间的干扰。差模电感对差模电流呈现较高的阻抗，从而减少差模干扰进入后续电路。

电容C1 - C4：C1、C2、C3、C4 起到滤波作用，进一步滤除不同频率的干扰信号。其中，C1 和 C2 主要滤除高频差模干扰，C3 和 C4 用于滤除共模干扰，使输入到整流桥的电压更加稳定、纯净。

整流部分

整流桥BRG1：将输入的交流电压（L、N）转换为直流电压。在交流电压的正半周和负半周，整流桥内的二极管依次导通，使电流始终以同一方向流出，输出脉动直流电压 DC+。

功率变换及控制部分

功率开关管Q1：在 PFC 控制器UC3845输出的控制信号作用下导通和截止。当 Q1 导通时，电流通过电感 L4、Q1 到地，电能以磁场能的形式储存在 L4 中；当 Q1 截止时，L4 中储存的磁场能转化为电能，与整流后的直流电压叠加，使输出直流电压升高并更加稳定。

二极管D1、D2：D1 在 Q1 截止时导通，为 L4 提供续流路径，使电流能够持续为负载供电；D2 起到隔离和整流作用，确保输出电压的单向流动。

电容C5 - C7：C5 用于吸收 Q1 开关过程中的尖峰电压，保护 Q1；C6 和 C7 组成滤波电路，进一步平滑输出的直流电压，减小纹波，为负载提供稳定的直流电源 DC+。

PFC 控制器UC3845：实时监测输入电压和电流以及输出电压等信号。通过控制 Q1 的导通和截止时间，调整电路的功率因数，使输入电流跟随输入电压的波形，接近正弦波，提高电源的效率和电能质量。同时，根据输出电压的反馈通过 R3、R4 分压采样反馈到控制器 ，调节输出电压的稳定。

其他元件

压敏电阻MOV1 - MOV3：当输入电压出现瞬间过高的浪涌电压时，压敏电阻的阻值迅速减小，将浪涌电流引入大地，保护后续电路元件不被过高电压损坏。

电阻R1、R2：可能用于为 PFC 控制器提供偏置电压或电流，确保控制器正常工作。

稳压管Z1：当 Q1 漏极电压过高时，Z1 击穿导通，限制 Q1 漏极电压，保护 Q1 不被过高的电压击穿。

工作原理：输入电压经L1、L2、L3等组成的EMI滤波器，BRG1整流一路送PFC电感，另一路经R1、R2分压后送入PFC控制器作为输入电压的取样，用以调整控制信号的占空比，即改变Q1的导通和关断时间，稳定PFC输出电压。

L4是PFC电感，它在Q1导通时储存能量，在Q1关断时施放能量。D1是启动二极管。D2是PFC整流二极管，C6、C7滤波。PFC电压一路送后级电路，另一路经R3、R4分压后送入PFC控制器作为PFC输出电压的取样，用以调整控制信号的占空比，稳定PFC输出电压。

总结：

开关电源的功率因数校正PFC电路旨在提高功率因数，减少谐波污染，提升电能利用效率。PFC电路分为无源和有源两种：无源PFC使用LC滤波器，结构简单但功率因数提升有限；有源PFC通过开关器件MOSFET和控制电路动态调整输入电流波形，功率因数可达0.99。有源PFC常用升压型Boost PFC结构，通过控制开关管的导通和截止，使输入电流与电压同步。设计时需注意电感、开关器件和控制IC的选择，并采用EMI滤波器和输出电容确保电路稳定。PFC电路广泛应用于工业电源、消费电子和新能源领域，提高电能质量和系统效率。