節能電源設計重點
近幾年來，隨著環保意識抬頭與全球能源逐漸短缺之際，電力能源已經成為人類不可或缺的資源之一，人們也開始從開發新能源以及節約能源方面來著手因應，並且進行多方面的研究與探討。所謂的綠色電源和相關之節能法規也應運而生，滿足世界各地的電源規範標準變得愈加重要，電子設備廠商除了需要著重產品本身的特色功能之外，還要關注電源管理之架構設計以符合節能規範。
為了推廣高效率節能產品，以方便消費者來做區分，全球多個國家和地區紛紛發布了各種節能規範，例如美國加州能源委員會（CEC）、「能源之星」認證項目、歐盟行為準則、歐洲高效能電器組織（GEEA）。規範的制定和推廣產品能源效率標準、發展節能產品認證是提高能源利用效率的有效途徑，各種環保和節能政策給電子製造商帶來了挑戰與壓力，但同時也促使了電源產品朝向更省能的方向發展。
對於具體節能電源的設計，不論是外部電源，還是設備內部電源電路，應該以兩方面來考慮：首先，它必須擁有非常高的轉換效率；其次，是在待機模式之下，必須有低的靜態消耗功率。
面對節能設計挑戰，除了使用各種新的拓墣結構與技術，來提高電源轉換效率之外，還可以從其它方面來著手。
降低待機功率消耗
對於想要出口歐美等地的電子廠商，滿足國際強制執行的待機功率法規將非常重要。一般多數電源控制器需要一定的能量來進行和管理它們的開關和控制功能，如何降低電源供應器在輕載或無載時，所消耗功率的方法與技術，也有許多被提出與實際地應用，這些方法通常都是利用降低切換頻率來達成。
因此，主動突衝模式（Active burst mode）的詳細動作原理便是主要關鍵。在架構上，這是內含CoolMOS 與PWM的整合電源控制IC，它含有控制器跟CoolMOS功率開關，設計者可以用它來實現當前各種新型開關電源，例如要求待機功率低、外部元件少、電路面積最小等等，其應用線路如(圖一)所示，此IC在空載或輕載時提供主動突衝模式（Active burst mode）的功能，使系統達到最低的待機功率消耗需求小於0.1W。所謂主動突衝模式（Active burst mode）亦即IC一直是處於主動的狀態之下，因此可以立即地對回授腳位，VFB的信號做出反應。
由於電流模式控制之故，回授電壓VFB實際控制傳遞到輸出的功率，當輸出負載變低時，回授電壓VFB也會降低，如果持續低於1.32V一段時間且長於遮蔽時間（Blanking time）之後，IC會進入主動突衝模式（Active burst mode），進入主動突衝模式（Active burst mode）的功率點為：
其中LP為變壓器一次測電感，VFB_burst=1.32V為系統開始進入burst的回授電壓，VRAMP=0.85V是PWM-OP內部電壓斜波的最大值，AV=3.7是內部PWM—OP的增益，RSENSE是電流感應電阻，fSW是開關頻率，(圖二)顯示當負載由滿載到無載的變化波形，在遮蔽時間之後，IC會進入主動突衝模式。
當處於主動突衝模式時，IC會一直監測著回授腳位的輸出電壓，VFB，其控制著突衝責任週期與突衝頻率，突衝「On」開始於當VFB電壓達到4V，結束於當VFB電壓降到3.4V，在突衝「On」時，一次側的電流被限制在最大峰值電流的25％（VCS=0.25V），以減少導通損失及避免音頻噪音產生，FB電壓會像鋸齒波般的於3.4V到4V之間變化，其對等的二次側輸出漣波如下所示：
其中，Ropto為在二次側與光耦合器串連以限制光耦合器電流的電阻，RFB是IC內部連接到FB腳的提升電阻，Gopto光耦合器的電流轉換增益，GTL43是TL431的輸出與Vout間的電壓轉換增益，ΔVFB=4-3.4=0.6V為在主動突衝模式時VFB的漣波，(圖三)與(圖四)顯示當於突衝模式時，空載或輕載時的波形，可以清楚看到突衝漣波被整流於32mV，而且與輸出功率無關。
當輸出負載增加到超過Pburst_max時，Vout會掉一點點且VFB會快速上升到4.8V，離開突衝模式的功率臨界點Pburst_max為：
其中，Ipeak_max為一次側最大峰值電流，VCS_max為CS腳位電流限制的臨界電壓，Pmax是最大輸出功率，可以明顯看到在突衝模式的最大功率為Pmax的6.25％，當VFB達到4.8V，系統會馬上離開突衝模式，一旦系統離開突衝模式，電流感應電壓，VCS_max會被放開到1V，回授電壓VFB會回到所需要的位準，離開突衝模式的時序圖如(圖五)所示。
當離開突衝模式而造成輸出電壓下降可以下式來表示：
(圖六)顯示離開突衝模式從輕載到滿載變化的波形，輸出電壓下降的幅度約130mV。
(圖七)則是空載與輕載時的待機功率，於(圖一)應用線路的展示板實際所測量到的結果。
抑制諧波 使用PFC控制電路
除了增加電源轉換效率、減少待機功率消耗，隨著電子技術的發展和電子設備的廣泛應用，電力線路的諧波污染日益嚴重，給電力公司供電線路帶來額外負擔，並影響供電品質。因此，有效地提高輸入功率因數，可以充分利用發電廠的電力，減少損失，提升使用者端的電力使用效率。
在大多數電器產品中，其所需要的工作電壓為直流電，所以必須將電力公司所供給的交流電轉為直流電，最常見的是被動式PFC，因為其結構簡單且成本低廉，具有設計簡單及電磁干擾（EMI）較小等優點，而主要缺點為對輸入電壓頻率相當敏感、體積大、重量重，但是由於濾波電容與電感器本身阻抗特性，導致輸入電壓與電流存在著相位差，以及輸入電流的波形失真，因此功率因數（Power Factor）低落，能源消耗而損失，為了提高功率因數，則必須在電器產品輸入端加裝功率因數校正電路（Power Factor Correction circuit），而相較於被動式功因校正電路，主動式功因校正電路有著體積小的相對優勢，成為現今的主流。
連續傳導模式（CCM）功率因數校正控制器可以在從空載到滿載很大的變化範圍內工作，並具有開路保護、輸出過壓保護以及交流電壓欠壓保護等功能。此IC適合於低成本的連續傳導模式功率因數校正電路設計，解決傳統CCM PFC電路對電力線的干擾問題，提高電源可靠性和效率。
對於低於200瓦的小功率裝置，不連續傳導模式（DCM）因其低廉的價格受到普遍歡迎，此外，由於其控制電路只有一個電壓控制迴路，因而採用DCM的PFC設計更為簡便。
然而，由於它的電流漣波較大，DCM很少用於大功率場合，在設計大功率時，CCM的PFC將更具優勢，在CCM的拓墣結構中，它的傳輸函數存在電壓及電流兩個控制迴路，因而其控制電路設計複雜，CCM PFC控制器的腳位數目也較多，為了降低設計成本與難度，廠商也開發相關PFC控制器，根據故障模式影響分析（FMEA）整合許多保護線路。
工作原理
傳統的CCM PFC的電路結構如(圖八)所示，可以看到傳統的PFC電路存在兩個控制迴路：一個是電壓迴路用於調整輸出電壓；另外一個是電流迴路，用於控制輸入電流。誤差放大器的輸出Verr決定了輸入電流Iin的幅值大小，Verr乘以正弦波參考信號｜Vin｜得到正弦輸入電流。在傳統的CCM PFC中，｜Vin｜是不可少的，它用於產生電流控制迴路中的正弦波輸入電壓。
新式PFC控制器的一個典型應用如(圖九)所示。該IC具有8個腳位，沒有直接輸入IC的正弦波信號。
此IC的基本原理如下所述，假設電壓迴路正處於工作狀態，輸出電壓保持恆定，則一個CCM升壓型PFC控制系統的MOSFET的DOFF可以由下面的(公式五)得到：
從上面的公式可知，DOFF正比於Vin。電流迴路的目的在於調整電感電流的平均值，使得它正比於開關的DOFF，從而正比於輸入電壓Vin。其關係如(圖十)所示。
電路的斜波信號由內部振盪器產生，斜波信號的幅值一方面受內部的控制信號控制，但另一方面卻可以影響輸入平均值電流的幅值。
增強動態響應
由於PFC的固有屬性，PFC動態迴路總是以低頻寬進行補償，目的是不對頻率為2*fL的漣波產生響應，這裡的fL指的是交流電源的頻率。因此，當負載突然變化的時候，調整電路不能做出快速響應，從而引起輸出電壓波動過大。為了解決這個問題，在IC中採用了增強動態響應功能，一旦輸出電壓超過正常值的5％，IC將跳過慢補償的運算放大器，直接作用於內部非線性增益區塊而影響責任週期，輸出電壓能夠在一個短時間內回覆到正常值，(圖十一)所示為實現增強動態響應的示意圖。
假設此IC所控制的PFC之額定輸出電壓為400V，當輸出電壓達到420V，開關立刻截止，輸出電壓的過衝會被限制在5％以下，輸出過衝電壓保護也採用同樣的控制策略，當VSENSE下降到4.75V，也就是比額定電壓低5％時，IC立刻響應，驅動閘的責任週期立即增加，電壓變動的幅度被控制在40V以內。
軟啟動功能
此IC具有軟啟動功能，因而可以控制啟動電流，使其輸入電流幅度連續而漸進地上升到較高的值，直到輸出電壓達到額定電壓的80％，然後進入正常的控制模式。相對於一般的軟啟動系統而言，該系統只控制責任週期，以及讓輸入電流維持正弦波變化，在未達到額定電壓的80％之前，不會限制峰值電流。因此，升壓二極體不會受到因高責任週期而形成的大電流衝擊。
保護功能
根據故障模式影響分析，IC中整合很多保護功能，例如開路保護、輸出過壓保護、交流電源欠壓保護、IC電源欠壓保護、峰值電流限幅和軟過電流限幅等。下面將詳細介紹開路保護和輸出電壓保護這兩種保護功能。
開路保護（OLP）／輸入欠壓保護
開路意味著回授迴路被斷開，沒有回授信號進入IC。在這種情況下，如果沒有保護措施，內部的控制電壓將會被調節到最大值，IC將提高責任週期以傳送最大功率。在這種故障情況下，輸出電壓往往取決於輸出電流。在負載較小的情況下，將會產生很高的電壓過衝，這將危及到後面的用電設備。該IC具有開路保護以對輸出電壓進行監控，如(圖十四)所示。一旦VSENSE電壓低於0.8V，也就是VOUT低於額定電壓16％時，就意味著電壓回授迴路進入了開路狀態，或者輸入電壓小於額定值。在這種情況下，IC中絕大多數模塊將停止工作。該保護功能是通過比較器C3實現的。一旦出現開路故障，MOSFET閘開關立即停止工作，輸出電壓沒有過衝。該保護也可用於在某些情況下關閉PFC，例如待機模式等。
輸出過壓保護（OVP）
增強動態響應模塊也具有輸出過壓保護功能。一旦VOUT超過額定電壓5％，輸出過壓保護功能就被啟動。通過判斷VSENSE腳位的電壓是否大於參考電壓5.25V就可以實現該功能，VSENSE電壓高於5.25V時，IC會跳過正常的電壓迴路控制而直接控制責任週期，使責任週期立刻下降到0。這將導致輸入功率下降，而使得輸出電壓VOUT下降。
測試結果
用一個350W的測試板來檢驗其性能，測試電路如(圖十五)，開關頻率設定為200kHz。在1/4滿載的情況下，功率因數仍超過90％。另外，PFC轉換器也可以在空載的情況下提供穩定的輸出電壓。
應用於CCM PFC的材料技術
節能電源IC廠商也推出適合在交換式電源供應器（SMPS）上PFC應用的矽碳化物（SiC）技術的第二代Schottky二極體，較先前產品增強其衝擊（surge）電流，因此能處理較高的起動流入電流以及過電流。
矽碳化物是高壓阻隔功率半導體的理想的材料，與其他Schottky二極體相比，能提供更高的Schottky位障以及高的崩潰電場，其熱傳導性與銅相當。而這些特性可提供低洩漏電流、低開啟後之電阻，並改善散熱。矽晶和砷化鎵Schottky二極體的阻隔電壓約200至250 volts，而矽碳化物二極體的電壓範圍則可超過1000 volts。
CCM解決方案需要一個非常快速的二極體，但可以提供許多優點，例如大量減少最高峰值電流，因此可以使用比較小的被動式零組件、功率轉換電路和較簡單的EMI濾波器。
SiC Schottky二極體適合應用在CCM PFC，因為和其他Schottky二極體相比，可提供較高工作電壓，而且不會出現矽晶二極體的逆向回復電流，因此可以減少MOSFET功率損失，所以可以搭配低成本的MOSFET。此外，由於其轉換效能是獨立於順向電流、交換速度和溫度等之外，新一代的SiC Schottky二極體，採用混合式的P／N-Schottky架構，將可改善電流負載和電壓負載的特性。
結語
節能與綠色環保設計概念已逐漸被落實到人們的日常生活之中，半導體元件的技術與電源架構，將扮演舉足輕重的角色。如何更有效率地充分使用地球有限的寶貴資源，端賴相關業界共同努力。（作者為Infineon英飛凌汽車、工業與多重市場部門資深工程師）
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