世界上消耗的大部分電力都供應給某種形式的AC-DC 電源單元（PSU），這意味著它們的能效在運行成本和影響環境的排放方面很重要。在最簡單的層面上，能效是從電網汲取的功率與提供給負載的有用功率之比。但是，如果線路電流和電壓異相或具有不同的波形，則所消耗的視在功率可能會顯著增加，大大降低能效。

同相和異相操作之間的比率稱為功率因數，PSU 設計人員的一個關鍵目標是確保該比率盡可能接近1。事實上，這非常重要，以至于現在立法和標準如 IEC 61000-3-2強制要求限制線路諧波中的功率。

此外，新的能效標準規定了在更廣泛的工作功率范圍內的能效水平。例如，80 PLUS?計劃提倡在20%和100%之間的負載下達到80%的能效，而最高級別（被稱為 “80+ Titanium標準”）規定在10%的負載下能效超過90%，在100%的負載下能效超過94%。

80 PLUS? 計劃能效等級認證

資料來源：CLEAResult?

通常情況下，功率因數的校正是通過將輸入主電源提升到高于主電源峰值的直流電平，然后使用脈沖寬度調制（PWM）等技術將其整流到輸出水平，這也迫使線路的電流和電壓達到一致。

雖然這樣做很有效，但PFC級的固有損耗（升壓DC-DC 2%，低壓橋式整流器2%）使得整個AC-DC電源單元達到80+ Titanium所要求的96%（230VAC輸入，50%負載）幾乎不可能。

傳統（左）和無橋圖騰柱（右）升壓 PFC 電路

使用無橋設計（稱為圖騰柱PFC），輸入電源橋式二極管被一個更高效的同步整流器取代，升壓電感器的位置重新排列，以大大減少損耗。雖然這給出了理論上100%的能效，但非理想的電感和有源開關的導通和開關損耗使這在實踐中實現不了。

圖騰柱 PFC 架構

連續導通模式 （CCM） 和非連續導通模式 （DCM） 等方法在高功率和低功率水平上都有局限性，因此臨界導通模式 （CrM） 通常用于高達幾百瓦的功率。在這里，隨著負載電流或電源電壓的波動，不同的開關頻率迫使在 CCM 和 DCM 之間的邊界上運行，從而提供低導通損耗，同時限制峰值電流以提供可接受的導通和內核損耗。

CrM的可變開關頻率意味著在輕載時的頻率更高，增加了開關損耗，降低了能效--這對于滿足計算PSU標準規定的待機或空載能耗限制是個真正的問題。然而，這可通過鉗位/“返走”開關頻率來解決，從而強制在輕載下工作在DCM模式。

TPPFC架構允許實現最終的PFC能效，但設計可能是個挑戰，需要控制四個有源開關器件，檢測零電流以強制CrM，調節輸出并提供過電流和過電壓保護。以前使用需要軟件編碼的數字控制器來實現拓撲結構，這進一步增加了挑戰，特別是對于不太熟悉或經驗不足的電源設計人員。

為了解決這些挑戰，安森美（onsemi） 提供NCP1680--業界首款混合信號CrM圖騰柱控制器。該器件具有新穎的低損耗電流檢測架構和成熟的控制算法，是一種高性價比、高性能和快速上市的解決方案。因此，在外部只需要一些簡單的元器件就可以實現全功能的圖騰柱PFC，從而節省了空間和元器件成本。此外，無需昂貴的霍爾效應傳感器就能實現逐周期電流限制。

使用 NCP1680的圖騰柱 PFC的典型應用圖

評估板在265 VAC、395 VDC下提供300瓦。快速支路開關采用GaN HEMT，交流電同步整流器采用Si-MOSFET，在整個電源電壓范圍內在低至20%的負載下表現出98%的能效。

圖騰柱架構的采用在很大程度上受到采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）器件的推動，因為SiC和GaN在用于圖騰柱的快速支路時具有優勢（主要是低反向恢復電荷）。NCP1680可以適應任何開關類型，無論是基于硅的超級結硅MOSFET還是SiC或GaN器件。

審核編輯：郭婷