如何维持电信交换机的高功率因数

电信应用中的电力传输系统现在必须应对大量高电流CPU，可能消耗数百瓦的电力。为了提高效率，电信PSU采用开关拓扑将电网电源转换为48 V DC输出，然后分配给系统其余部分的线卡。问题在于开关模式电源由于其输入电路的结构而对电网呈现非线性阻抗。

输入电路通常包括一个半波或全波整流器，后面是一个存储电容，可将电压维持在接近输入正弦波峰值电压的值。它由后续的半波充电。当电网电源达到峰值时，此拓扑仅从输入中提取电流;该脉冲包含足够的能量来维持负载，直到下一个峰值。电流脉冲可以持续不超过周期的四分之一，并且在脉冲期间提供的电流必须至少是平均电流的四倍。

与正弦输入相比，产生的电流波形会因大量强谐波而严重失真。只有基波分量才能产生实际功率 - 剩余的峰值负责视在功率。这种差异由功率因数表示，对于所有情况，除了纯正弦波之外，功率因数将小于1。

谐波失真会对同一电源上的其他负载产生不利影响。失真的电流导致电线和配电装置中的额外加热。因此，除了公用事业公司在高功率设备上施加的控制之外，全球范围内的立法还限制了开关模式PSU的谐波失真。欧洲和日本提供的输入功率要求为75 W或更高的电气设备必须符合IEC61000-3-2标准。该标准规定了线频谐波的最大幅度，包括39次谐波。由于核心电信交换机负责高负载，因此需要限制谐波失真并保持高功率因数。

功率因数校正（PFC）可以对PSU的输入电流进行整形，以最大化来自电网的实际功率水平，并最大限度地减少谐波失真。理想情况下，电气设备应提供类似于电阻器的负载，而不是裸开关模式PSU的无功负载。电流波形将采用与AC输入相同的正弦波轮廓而不是一系列窄峰，而是与其同相。这种经过校正的波形可以最大限度地减少损耗以及对来自同一电源的其他设备的干扰。

电信系统的PSU通常设计为具有两级结构。前端级用于PFC，而第二级是DC/DC转换电路，提供所需的稳压直流输出。原则上，简单的电感器可以为许多开关模式PSU提供足够的PFC。电感器的作用是及时将电流扩散出去，从而将谐波降低到足以满足大多数规定的程度。缺点是电感需要相对较大 - 在人口密集的电信服务器或交换机的背景下，其尺寸和成本通常是不可接受的。

图1：典型电信PSU的两级架构，显示PFC预调节器和DC/DC稳压器级。

实际上，电信系统中的PFC级本身就是一个开关模式的PSU。最常用的拓扑结构是升压转换器，它为纯无源PFC实现的串联电感增加了开关功率控制电路。升压转换器保持连续输入电流 - 可以强制跟踪线电压的变化以保持高功率因数。然而，在广泛的升压转换器类别中，有许多电路架构可供电信PSU设计人员对效率进行高度控制，这是能源之星等标准继续推动PSU损失的关键考虑因素。

许多支持连续传导的PFC控制器 - 一种最小化电流应力的技术 - 并使用平均电流模式控制来实现平滑的输出波形。 International Rectifier的IR1152是一款采用该公司单周期控制算法的平均电流模式控制器。

单周期控制算法使用两个控制回路：慢速外部电压回路和快速内部电流回路。外部电压环监控电压检测引脚并产生一个误差信号，控制馈入PFC转换器的电流量。内部电流环路保持所需的正弦曲线，逐周期控制峰值电流。

英飞凌ICE2PCS02G可在轻负载条件下从连续导通模式切换到离散导通模式，从而产生更高的谐波，但仍保持在法定范围内并保持高效率。 IR1152和ICE2PCS02G都有许多保护电路，以防止电压过低和过压情况。

另一种策略是使用临界，过渡或边界传导模式 - 这种方案在低功率系统中很流行。然而，交错的使用使得可以并行地使用级以增加总输出功率并且仍然获得使用较小无源组件的优点。这种并联转换器可以彼此异相操作，以在输出端求和时最小化纹波电流。这反过来又降低了输出滤波要求。

图2：稳压器产生的电流由边界导通模式中的一系列斜坡提供输入电压的曲线，按所需的功率电平换算k倍。在此模式下，每个斜坡在最后一次完成时立即启动。

与连续导通模式相比，控制通过电路的电流的脉冲宽度调制输出不能以固定频率工作。相反，由电压感测通道提供的误差信号用于控制每个电流脉冲何时结束。在周期开始时，电源开关闭合，升压转换器电感电流上升，直到达到电压基准电压。此时，电源开关打开，电流斜坡下降，直到达到零。当电感中的电流降至零时，电压上的电流也会降至零。此时，周期再次开始，导致名称边界传导，因为电感器保持在连续和不连续传导之间的状态，其中通过电感器的电流可以保持零一段时间。

意法半导体（STMicroelectronics）生产的L6563采用过渡模式电路。该器件通过使用电压前馈功能增强了环路稳定性，改善了瞬态响应以及电网电压降和浪涌的处理。过压保护电路可在浪涌期间控制电压。 L6563支持对PFC预调节器作为主站或从站的系统进行远程开/关控制。如果PFC级出现问题，则第二级DC/DC的PWM控制器的接口可以使转换器停止。它还在极轻负载条件下禁用PFC预调节器，以防止效率下降太多。

Cirrus Logic CS1501将在完全不连续和临界传导形式之间切换。其正常工作模式是不连续的，在峰值时段切换到准临界模式，适用于PSU额定功率高达300 W的小型电信系统。噪声整形技术有助于最大限度地减少电气干扰并减小滤波元件的尺寸。

图3：随着功率要求的变化，CS1501在非连续模式和准边界导通模式之间切换。电流斜坡在不连续模式下分离。

传统的连续导通模式架构使用标准的基于二极管的桥或半桥电路来整流PFC模块前的输入。然而，在高负荷条件下，这座桥通常会导致约2％的损失。无桥PFC架构被认为是消除这些损失的一种方式。然而，无桥接方法通常涉及更复杂的控制技术，并且需要注意避免产生过多的电磁干扰。

解决无桥拓扑结构复杂问题的一种方法是采用半无桥设计。采用这种方法，PFC电感器分成两个较小的单元，每个单元连接到不同的开关电路 - 一个用于正电网电压，另一个用于负电路。二极管用于将PFC输出地连接到输入线，并且还提供返回路径以防止输入线电压相对于地浮动，这导致输入电压在完全无桥中用作感测输入的问题设计。

图4：典型半无桥PFC电路的架构

德州仪器UCC28070是一款连续导通模式PFC控制器，通过集成两个PWM电路彼此异相工作，适合半无桥拓扑结构以及更传统的交错设计。为了克服在无桥拓扑中更难以实现的电流检测问题，UCC28070的电流合成器可以在关断期间结合使用导通周期采样和下降斜率仿真，以便电感器的状态可以在整个切换周期中重新创建。

随着PFC和效率的推动，我们可以期待更多的解决方案以新颖的方式结合模式和拓扑。 IC供应商已经有各种各样的实施方案，为电信系统设计人员提供了广泛的选择。