1主动PFC电源的开发背景
1．1问题的提出
80PLUS是一项针对电源所做的新标准，它的核心是加载主动式PFC电路模块用于提升计算机设备的使用效率。保证电源设备在22%、48%，以及满载时有大于84%的转换效率。简单的说，就是在不同的负载程度，能够减少多余电能转换成的废热，来降低电源的使用成本。在中国这笔费用是由各个电源生产商向国家节能减排部门进行申报后获得的。该标准最早是由美国能源局制定的效率标准，针对桌面型台式机、高性能刀片服务器及工作站所制定的节能规范，希望借此来提高计算机内部电源设备的效率与功率因数比值，减少EMI谐波危害，降低设备的发热量，以达到节能目的。图1显示转换效率从低到高分别是80PLUS的6个标准:白牌(标准版)、铜牌、银牌、金牌、铂金、钛金从上到下依次提升。PFC效率因子数值越高表示这台电源越优秀。相比普通的被动PFC电源，80PLUS标准有许多优点。
1．2主动PFC电路设计能够延长的使用寿命
图2显示了被动PFC电源的热功耗模式，根据功率校正决定电源适配器转换效率的关键在于能将百分比之多少的输入转换为输出，由于剩下的电能会转换成废热。废热的产生会增加很大的电源噪音，而风扇需以高转速来带走废热，来保证电源内部不会过热触发报警装置。目前我们所使用的电源风扇都是普通油封轴承，这种轴承的好处就是成本低，便于大面积使用。缺点是寿命短，油一旦消耗完后会产生巨大的摩擦噪音。因此，减少废热、保持低散热需求的好处即是增加电脑电源的耐用度。
1．3主动PFC电路设计能够减少热辐射功耗
例如，一个转换效率65%的额定600瓦的电源设备，在100%负载时会消耗600瓦的电力，剩下的180瓦则会转换成多余的热能。如果该电源供应器转换效率为80%，在90%负载时只需要540瓦的电力供应，那么就只有60瓦的电力转换成热能。所以如何减少这些热能非常重要，由于目前科学技术的限制，人类还无法去收集这些多余热能进行储存。因此，减少这些无用的电子消耗显得非常重要。采用温控装置的电源风扇就不必在高转数情况下进行工作，这将有效的降低电源噪音和电源内部的发热量。让电源内部的元器件保持在正常温度系数范围内进行工作。
2主动PFC技术的实用价值
2．1有源PFC电路模块的重要性
节能减排一直是很多单位关注的，80PLUS电源能够做到为机房节能。这得益于80PLUS标准电源的高功率因数(PFC值)。PFC的全英文名为“PowerFactorCorrection”，意思是“功率因数调整值”，用来表示有效功率与总耗电量(视为额定功率)之间的比值。电网供给电源的能量并不能100%被电源所利用，在电源和电网之间会存在不小的电能损失部分。这个时候PFC就诞生了，目前的PFC电源分为主动式(active)和被动式(pas-sive)两种。被动PFC电路的功率因数一般只有70－78%，有的甚至连70%都达不到。而且电源非常沉重，不利于运输。而主动PFC的功率因素通常保持在90%以上，甚至达到95%。由于不需要庞大的电感，因此重量得到了大幅度的减轻。
2．2宽频电压输出
主动PFC还有另外一项重要的附加价值，即它可以适应90Vdc－260Vdc的全范围电压，可以全球通用，特别是对于电压不稳的地区有重要的使用价值。在我国的贫困地区，及地震灾区，当地电力部门无法保障220V稳定电压的环境下，使用主动PFC的设备能够有效缓解电力异常波动造成的瞬时断电设备重启问题。在边远地区使用主动PFC设计的电源系统能够有效保障学校、医院重要部门的不间断运作。
2．3单位耗电量的下降
注意:为了满足能源之心(ENEＲGYSTAＲ)的规范指标以及国家降低碳排放的强制要求，即功率因数越大，对节约电力能源越有好处。主动PFC电源为了保证更高的转换效率，在产品的设计与用料上，都较传统电源要复杂和考究得多，这带来了生产成本的上升。但考虑到在工业用电方面的开支减少，特别是现在很多大学机房机器数量都在数千台以上，是一些专业实验室，常年24小时开机进行数据运算实验。如果按照一年一台PC即可节省200元人民币，这笔费用扩建机房升级设备都绰绰有余，从长远利益来看，未来终端用户应该多考虑带有主动PFC模块的电源。
3主动PFC技术的实现
图3显示的为PFC升压预转换器的构成，这里需要安置一个线圈，通过一个二极管和一个PF开关。蓝色箭头所指的波形电感需要一枚加载PFC预调节器而设计的功率因数校正控制器电路。这里我们使用ONSEMI半导体(MC33368和MC33260)，均工作在临界导电模式中，而NCP1650则工作于连续导电模式。通常将临界导电模式用于300W以下的功率因数控制电路。而CCM连续导通模式用于400W以上的功率因子电路模块。随着机房在教学上开设了matlab，大型数据库等课程，这些课程对计算机的硬件要求非常高，特别是大数据运算这样的模型搭建。为了满足这些设施要求，必须使用额定功率在400W以上的电源才能满足需求。CCM电路拓扑就是为了通过80PLUS标准设计的，一般采用正激拓扑(又分为单端正激拓扑和双管正激拓扑)较之前机房所使用的被动PFC普通电源，通常采用半桥拓扑。半桥拓扑均采用三极管做主开关管，正激拓扑采用MOS管进行设计，但是这样的设计会导致开关损耗均远大于MOS管。而且这类电源非常笨重。因此，半桥拓扑的转换效率一般刚刚能够突破70%，而双管正激拓扑的转换效率基本都能接近80%，设计和用料较好的就能达到85%以上。双管正激拓扑相对于半桥拓扑的另一个优势就是纹波要小得多(由其工作原理所决定)。开关电源的输出电压会有一些不规则的小幅波动，波动幅值范围一般是几十毫伏，称为纹波。纹波干扰在机房是非常普遍的一种电磁干扰，特别是机房其它的非兼容设备比较多的情况下。会造成液晶显示器摩尔纹的显示故障。这种故障会影响显示器使用者的体验感受。从另外一个方面来说，计算机的板载芯片对纹波有一定的耐受能力，但这样的范围是非常有限的，这将会导致声卡的模拟放大电路会受纹波影响导致音质失真。特别是语音室对杂音过滤的要求非常的高，而正激拓扑的纹波更小，即电源输出的电压更平稳，电流更纯净，从而延长各部件的使用寿命，更可以减少令人头疼的EMI电磁干扰问题。
4改造主动PFC电源负载性能测定试验环境
INTELXEONE－1230v316GAPACEＲDDＲ31866×28×2TＲAID0磁盘阵列。额定600W电源运行测试国际象棋算法及图形4D渲染。电路板在满负载、低电压线路下工作30分钟后进行测量。所有测量是在没有中断的情况下连续进行的。采用HP34401A万用表在测试端直接测量。输入功率根据如下公式计算:Pin(avg)=Vin(rms)•Iin(rms)•PF机箱盖板打开、侧板无12cm风扇、仅使用slient模式CPU风扇运转。图4600W额定电源测试的转换效率这些结果是在一种相对高频的应用中获得的，轨迹线显示了线电压在不同负载时的效率，以中国境内230V电压标准，效率始终高于95%。100%负载下转换效率略有下降，且此时电源发热量会非常大，但相比于被动式PFC的电源来说，这样的发热量已经减少了很多。
5结语
使用主动PFC电路设计的产品在节能、环保的效率上是非常高的，是未来电子设备发展的主要趋势和方向，文章将通过80PLUS认证的主动PFC电源与普通电源进行对比，同时针对两类电源的主要性能参数用科学准确的数据进行了分析对比，让普通用户在选购电源时有清楚的定位，让行业客户明白为什么要多花20%的价格去选择主动PFC电源设备。同时为专业技术人员进一步升级改造机房环境提供了参考依据及改进方向。
作者：苏韦伟 严家兴 黄珊 单位：南京农业大学信息科学与技术学院
