电子常识
被动式PFC曾经是PC电源上的主流,现在虽然已经退出主流市场,但由于相对低廉的成本,因此其仍然活跃在额定功率400W以下的入门级电源产品中。被动式PFC电源的PF值大多在0.7到0.8左右,但甚少能有超过0.8的水平,毕竟要在被动式PFC电源上做到PF值0.8以上,从成本来说足以做主动式PFC电源,后者的PF值可以轻松达到0.9的水平。
常见于PC电源中的被动式PFC是电感补偿式,其通过减少交流输入的基波电流与电压之间相位差来提高功率因数,特点是在高压滤波电容附近有一个PFC电感,这个电感由多块硅钢片外部缠绕铜线而成,体积大、重量高,为了保证其安装稳固,现在不少被动式PFC电源会把PFC电感固定在外壳,再通过导线连接到主PCB上。
电感补偿式的被动式PFC有结构简单、成本低廉的优势,但是其电感的体积和重量都会随着电源额定功率的提升而增加,因此被动式PFC基本上不会用在额定功率比较高的电源产品中。另外由于被动式PFC电源往往有着比较高的重量,因此在玩家群体里产生了一种“电源越重品质越好”的判断方法,这个判断法一直沿用至今,虽然现在基本已经没有实用价值,但仍然被不少刚入门的玩家奉为信条。
值得一提的是,由于有这样的判断法,在被动式PFC电源仍是主流的年代,有不少假冒伪劣产品会采用假的PFC电感,这些电感在表面上和真品没什么区别,但实际上可能只有硅钢片而没有铜线绕圈,甚至只是灌装水泥冒充的,以增加电源的重量。因此“电源越重品质越好”的判断方法就算有些参考意义,但显然不会是绝对的判断标准。
此外被动式PFC电源对输入电压的稳定性有一定的要求,基本上电压波动的允许范围不会太广。而且由于被动式PFC适合在比较高的电压下使用,因此采用110V输入设计的被动式PFC电源还需要添加一个倍压器,将输入电压从110V增加至220V,以保证PFC电路工作的正常。
主动式PFC在结构上来说基本就是一个通过PWM控制电流波形的AC/DC整流器,交流输入通过整流桥进行整流,然后PWM触发主动PFC电路中的MosFET管,分离中间直流电压到恒定脉冲序列,随后这些脉冲信号通过滤波电容,将相对平顺的电流送到主开关电路。
此外我们可以在主动式PFC电路中看到一个体积相对较大的电感线圈,这个电感线圈可以对电流起到缓冲和梳理的作用,当然它在体积和重量上比起被动式PFC的电感要小很多。
从设计结构上来说,主动式PFC显然比被动式PFC更复杂,成本也更高。但是主动式PFC有着更宽广的电压适应能力,在电压波动较大的情况下仍然可以稳定工作,不少产品甚至直接支持110V到220V电压的输入。同时在功率因数校正的效果上,主动式PFC也有凌驾于被动式PFC,可以轻松达到0.9以上,部分高端产品甚至可以实现无限接近于1的效果。
此外由于主动式PFC电路的体积和重量都远小于被动式PFC,随着电源额定功率的提升,其在体积和重量上的变化也不会很大,因此在被动式PFC电源上“越重越好”的标准其实并不适合主动式PFC电源。
在主动式PFC电源刚刚步入主流的时候,又不少厂商为了宣传自家的主动式PFC电源产品,都纷纷打出了“主动式PFC电源更加省电”的旗帜,引导消费者选择采用主动式PFC设计的产品。但事实上是不是这样呢?主动式PFC电源就一定比被动式PFC电源省电吗?
如果从宏观的角度来看,确实是这样没错的。同样是200W的有效功率,采用被动式PFC设计、PF值为0.8的PC电源需要消耗250W的视在功率,而采用主动式PFC设计、PF值为0.9的PC电源则只需要222W的视在功率,如果说视在功率相当于发电机的输出功率,那主动式PFC电源对发电机造成的负荷就更低,自然也就是更省电了。
然而这样的省电对于消费者而言并没有什么实际意义,因为我们的电表只统计有效功率,并不是统计视在功率,换句话说你只需要为有效功率付电费,因此不管是主动式PFC、被动式PFC还是没有PFC,只要有效功率相同,电表上走的数字就是相同的,消费者需要支付的电费也是相同的。
真正能让你省电费的参数是电源的转换效率,这个转换效率直接影响电源有效功率的高低,在相同的输出负载下,转换效率更高的电源所需要的有效功率越低,你需要付的电费自然也越少了。
如果仅仅是从省电费的角度来考虑,电源是采用主动式PFC、被动式PFC甚至是有无PFC都没有什么关系,因为省钱与否的关键是在电源的转换效率。但是实际与理论总是有一些差别的,从客观事实来说,同样额定功率的电源产品,主动式PFC电源大部分确实有着比被动式PFC产品更高的转换效率,因为前者往往在做工、用料和架构上都会有更高的水平,品质也会更好,所以主动式PFC电源产品在客观上确实要更省电费,虽然两者没有必然的联系。
此外主动式PFC电源对交流输入电压的适应性也更强,基本上目前的宽幅电源都采用了主动式PFC设计,这样在电压波动比较大环境下,主动式PFC电源仍然可以保持稳定的输出。而被动式PFC电源对输入电压的稳定性有一定的要求,电压浮动的适应范围往往不如主动式PFC产品,在输入电压起伏较大的环境下可能无法正常工作。
另外选择主动式PFC电源也是一种环保观念,由于其PF值更接近于1,因此它对电网的负荷和污染也会更低,有利于减少不必要的能量消耗。现在PC电源中的80Plus认证不仅对产品的转换效率有要求,它还同时要求PC电源的PF值在0.9以上,因此80Plus认证在一定程度上也是对电源产品在环保贡献上的肯定。
主动PFC优势于被动。那么为什么主动式PFC的转换效率要高于被动式PFC呢?被动PFC对电路的要求比主动PFC要低,市面上99%的被动PFC电源都是采用简单的半桥拓扑+廉价二极管元件构成,而主动PFC电源标配双管正激电路+低阻抗电感+高功率场效管,更优秀的架构与元件可以使转换效率稳步提升。
被动式PFC一般是一个体积较大的电感,内部是铜线缠绕硅钢片以绝缘胶纸包覆,外形和小变压器非常相似。被动式PFC采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数,被动式PFC的功率因数只能达到0.6~0.75,一般放置在高压滤波电容附近。被动PFC方案简单的结构也形成了其最大的特点——低成本。
相对于被动PFC简单直观的外形,主动式PFC电路要复杂许多。主动式PFC电路是由电感线圈、滤波电容、开关管及控制IC等元件组成的一个升压电路,可以将输入电压提高、减少电流的电能损耗。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上,但由于电路较复杂、元件较多,所以成本也相对较高。
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