在任何配電系統中，非電阻性負載會導致電流和電壓異相移動，從而導致能量作為無功功率損失。雖然在純阻性負載的情況下電流和電壓將保持同相，但感性負載存儲無功功率并導致電流滯后于電壓，并且容性負載導致電流引導電壓。當電流波形不跟隨電壓波形時，不僅功率損失，而且所產生的諧波可以通過配電系統，從而破壞其他連接的設備。

隨著電流和電壓波形越來越接近，所有功率都包含在基頻中，諧波降至零。功率因數校正（PFC）用于控制電流以匹配電壓的形狀和相位，通過有效地將負載轉換為純電阻來最大化來自電源的實際功率。

在微觀層面，功率因數校正為能量收集電路的設計者提供了直接的好處。用于從環境源獲取能量的功率調節電路經常導致電流輸出中的諧波，導致功率損耗。在這些情況下，線性穩壓器的使用導致在最佳工作范圍之外工作時效率降低，而開關穩壓器的使用可能引入額外的設計挑戰，以解決可能限制最佳功率輸出的穩定性問題。 PFC電路旨在解決這些挑戰。

因此，功率因數校正（PFC）在最大化實際功率和保持其質量方面發揮著關鍵作用。控制諧波電流的最簡單方法是使用僅以線路頻率傳遞電流的濾波器。該濾波器降低了諧波電流，這意味著非線性器件現在看起來像線性負載。此時，可以根據需要使用電容器或電感器使功率因數接近一致。該濾波器需要大尺寸，高電流的電感器，這些電感器體積大且價格昂貴。

與無源PFC方法不同，有源方法以最少的元件數量和成本實現PFC。利用各種集成器件，設計人員可以使用Cirrus Logic，Freescale Semiconductor，Fremont Micro Devices，Linear Technology，ON Semiconductor，Renesas，STMicroelectronics，Texas Instruments和Toshiba等制造商的IC輕松實現能量采集應用中的PFC，等等。

降低損耗

在典型的電源電路中，功率因數校正電路位于整流器和輸出存儲電容之間（圖1）。雖然功率因數可以通過無源元件進行校正，但有源功率校正為許多設計提供了更小，更有效的解決方案。

圖1：有源功率因數校正電路位于整流器和存儲電容器組件之間，以確保電流波形的形狀和相位與電壓波形相匹配（感謝ON）半導體）。

傳統的PFC電路可以構建為在不連續或連續模式下工作，其中電流在每個周期（不連續）期間接通和斷開，或者電流從未達到零（連續）。臨界傳導模式（CRM）是一種混合型，在不連續和連續模式之間運行。 CRM消除了不連續模式在循環之間施加的死區時間，直到電流重新打開為止。同時，與連續模式相比，它允許電流返回到零。這些屬性及其相對簡單性使CRM PFC非常適合能量收集等低功耗應用，設計人員可以從各種CRM PFC IC中進行選擇。

對于低功耗應用，設計人員可以轉向基本的CRM PFC器件，包括飛思卡爾半導體FAN7527BN，Fremont Micro器件FT821，安森美半導體MC33262，STMicroelectronics L6561，德州儀器UCC28051D和東芝TB6819AFG等。為了實現PFC，這些基本器件通常依靠門控信號來打開和關閉功率MOSFET，從而產生匹配形狀和相位電壓波形所需的電流波形（圖2）。

圖2：基本CRM PFC IC通常通過門控電感電流來提供塑造電流波形所需的功能（由Fairchild Semiconductor提供）。

此類設備通常結合了誤差放大器，零電流檢測器，開關電流傳感器，輸入電壓傳感器和開關驅動器，只需幾個外部元件即可實現完整的PFC解決方案。此外，這些器件通常還包括用于過壓保護，欠壓鎖定，欠壓檢測和其他故障的內置電路。

在差異化因素中，這些產品具有不同的工作電流水平和性能特征。對于他們的L6561，STMicroelectronics包括帶有線性乘法器的特殊電路，以減少輸入電流失真，從而在各種負載條件下提供低THD。對于他們的FAN7527BN，飛兆半導體使用精密雙輸入乘法器，在寬動態范圍內具有嚴格的線性度，以確保在各種工作條件下的PFC性能。

工程師可以找到設計有特殊功能的CRM PFC IC，旨在支持高效的電源設計。凌力爾特公司的LT3798包括能夠檢測初級側反激信號輸出電壓的電路，無需光隔離器或信號變壓器進行反饋。

對于他們的FAN6920MR，飛兆半導體集成了一個準諧振PWM控制器，旨在減少過零時的輸入電流失真，從而提高總諧波失真（THD）性能。此外，這種配置有助于降低開關損耗，實現高效運行。

數字控制

基于數字的PFC解決方案具有廣泛的優勢，包括消除由于元件公差和老化引起的不準確性。設計人員可以優化算法參數以獲得所需的性能水平，而不是修剪外部組件來調整PFC性能。

Cirrus Logic CS1501將必要的電流和電壓測量電路與執行數字算法的處理器內核相結合，優化MOSFET驅動信號占空比和開關頻率以實現PFC。在輕載條件下，CS1501可以間歇性地禁用PFC周期，以提高系統效率。

設計人員還可以使用與構建主應用程序相同的集成MCU內置基本PFC功能。設計人員可以使用集成的MCU（如Renesas V850E，包括ADC，DAC和PWM功能）實現基于數字的基本PFC控制器。在這里，MCU通過控制在PFC級中為主要應用（如電機控制器）形成輸入電流所需的門控信號，從而無需PFC IC（圖3）。

圖3：具有集成ADC，DAC和PWM功能的MCU可以在電源階段塑造電流波形，無需單獨的PFC IC（圖片由Renesas提供） ）。

結論

PFC已經成為能量收集中日益重要的功能，不僅要滿足法規要求，還要確保最大的電源效率和質量。對于許多能量采集設計，基本的CRM PFC IC提供了實現功率因數校正所需的功能和低功耗性能的組合，同時具有最少的附加組件和復雜性。在某些情況下，可以利用用于滿足應用要求的集成MCU來提供簡單的PFC解決方案。