什么是电源PFC 主动式PFC电源的概念分析

　　本文主要是关于电源PFC的相关介绍，并着重对电源PFC的工作原理及主动式PFC电源的概念进行了详尽的阐述。

　　PFC

　　PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。 基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。功率因数是用来衡量用电设备用电效率的参数，低功率因数代表低电力效能。为了提高用电设备功率因数的技术就称为功率因数校正。

　　计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。

　　主动式PFC电源的概念分析

　　主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上，但成本也相对较高。此外，主动式PFC还可用作辅助电源，因此在使用主动式PFC电路中，往往不需要待机变压器，而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。

　　交过电费的人都知道，同样是使用电网中的电能，为什么工业用电和居民用电的价格却不尽相同呢？大多数人也许会给出这样一个答案：“工业用电是要创造价值，进行商业盈利的；其次就是工业设备污染环境比较多；再次就是工业用电的传输成本高。”这个答案说明了一些问题，但是如果您具备专业知识，或者通过前面的学习，了解了什么是功率因数，那么您肯定能给出更专业的答案：“工业中使用的用电设备多为电感或电容性设备，其功率因数相对居民用电设备的功率因数较低，造成了电网中无功功率较高，电力公司需要多发电来维持这个无功功率，浪费了这部分的电能，所以工业用电用户就需要为这部分浪费的电能买单。”工业用电与居民用电成本对比如图1所示。

　　

　　图1 工业用电与居民用电成本对比那么我们有什么方法来降低无功功率，或者说如何把功率因数提升到最佳值呢？伟大的科学家们已经帮我们研究出了解决办法：功率因数校正。提高用电设备功率因数，使其接近1的技术就称为功率因数校正。下面让我们看看供电公司和工业用电用户都是怎么样做的吧。l 供电公司的功率因数校正方法对于供电方，最简单的方法就是提升送电电压，也可以在各个中央变电站、输送网络中，添加功率因数校正设备，提升整个电网本身的功率因数，减少输送损耗，如图2所示。

　　

　　图2供电公司的功率因数校正方法l 工业用电用户的功率因数校正方法对于工业用电的使用方，可以在低功率因数负载电路中，增加功率因数校正设备，或者使用高功率因数的负载，如图3所示。

　　

　　主动式PFC与被动式PFC电源的不同

　　在早些年主动式PFC电源刚刚步入主流的时候，商家们一度大肆宣传“主动式就是比被动式好”，现在主动式PFC电源已经成为主流，虽然不再需要像当年那样疯狂地推广，但是我们仍然可以在不少电源产品的包装上看到强调主动式PFC的字眼，可见这个观点早已深入人心。那么主动式PFC相比被动式PFC好在哪里呢？今天我们就来一起探讨一下被动式PFC与主动式PFC之间差异，看看为什么主动式PFC电源能够成为今天的主流。

　　今天主动式PFC已经成为主流和高端电源的标配

　　PC电源为什么需要配置PFC电路？

　　目前电路负载基本上可以分为两种模式，其一为电阻型负载，这种负载在采用交流输入时，其电压与电流的波形都将呈现正弦曲线且相位相同，换句话说电压和电流都会在同一时刻逆转极性，能量一直为正向移动；另外一种则是电抗型负载，这种负载在采用交流输入时虽然电压与电流的波形同样为正弦曲线，但两个波形之间存在相位差，这样就无法保证电压与电流在每一个时刻都是相同的极性，在极性相反的周期内，能量是反向移动。

　　由于电压与电流波形之间存在相位差，因此会有反向能量即无效功率的产生

　　当然这两种都是理想状态下的负载，在实际应用中其实是电阻性负载与电抗型负载的混合，极少存在单一型负载的情况，因此在任意时刻的负载中会有两种不同方向的能量，其中只有正向能量是有价值的，我们将其称为有效功率，反向能量则称为无效功率，而两者的综合就是视在功率了。

　　为了体现电器设备对能量的利用率，我们就需要用到功率因数（Power Factor），即我们PC电源评测中常提到的PF值，这是一个有效功率除以视在功率所得出来的比值。而功率因数校正即PFC（Power Factor Correction）的用作就是提升PF值，它可以起到减少脉冲电流谐波分量、降低EMI电磁干扰、降低谐波失真度等作用，从是实现降低电网污染、使功率因数趋向于1的效果。

　　目前PC电源中有分为被动式PFC和主动式PFC，前者常见于低端电源产品或者是一些比较老旧的产品中，一般来说可以将电源的功率因数控制在0.7到0.8的范围，但一般不会超过0.8；后者则是目前主流和高端电源的标配，它可以将电源的功率因数控制在0.9甚至更高的水平，部分高端产的功率因数甚至可以无限接近于1。

　　什么是被动式PFC？

　　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。

　　被动式PFC电路中的PFC电感，图片源自游戏悍将80+ S400电源

　　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。

　　这款达硕角斗士430电源的PFC电感其实是假的，你看出来了吗？

　　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。

　　采用假PFC的电源，其PF值只有0.5到0.6的水平

　　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。

　　什么是主动式PFC？

　　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。

　　主动式PFC电路，图片源自游戏悍将SURPASS SP500电源

　　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。

　　以先马金牌500W模组版为例的主动式PFC电源，PF值可以轻松达到0.9以上

　　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。

　　主动式PFC电源会更省电吗？

　　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。

　　我们为什么要选择主动式PFC电源？

　　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。

　　主动式PFC的一般结构

　　主动式PFC一般由功率MOFET开关管、PFC二极管、电感、滤波电容和NTC热敏电阻以及IC整合电路六个电子元器件组成。下面我们就来看看这些配置吧。

　　主电容及IC整合电路

　　主动式PFC电路的设计还是比较复杂的，这无形之中就增加了电源的制作成本，因此在市场上，采用主动式PFC电路设计的电源给消费者的感觉就是价格比较高。

　　虽然说主动式PFC电路设计比较复杂，成本也比较高，但是它带来的效益还是不可估量的，最重要的是，它能适应更高的电压范围，这对于玩家来说是非常关键的。

　　主动式PFC的特点及总结

　　接下来我们就是看看采用主动式PFC设计电源的功率因数变化了。这次我们选择了游戏悍将红紫银效R500M电源和游戏引擎UT-450AP电源的功率因数变化来看一下。

　　这两款电源都采用了主动式PFC设计，他们的功率因数最高都超过了99%，这说明了他们在节能方面还是非常出色的。

　　通过我们对主动式PFC设计的分析介绍，可以得出以下几点：

　　1、主动式PFC设计复杂，成本较高。

　　2、主动式PFC比被动式PFC性能要好，更加节能。

　　3、主动式PFC的功率因数最高能超过99%。

　　4、主动式PFC能适应更高的电压范围。

　　结语

　　关于电源PFC的相关介绍就到这了，如有不足之处欢迎指正。

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