作者：Reno Rossetti   飛兆半導體計算和超便攜式應用企業策略總監

        納米級光刻技術的發展推動了集成技術的進步，在未來的幾年里，完整的信號回路(數字+模擬+存儲器), 甚至GSM系統(包括電源管理)都將可以集成于一體。本文以單芯片控制器PFC/PWM組合芯片，及其相關的用于中間母線電壓AC/DC轉換的分立晶體管作為應用范例，描述功率轉換技術的發展歷程。并以降壓轉換器為例，介紹母線電壓轉換為主板低電壓的DC/DC轉換方法。還討論了PFC/PWM和DC/DC 轉換器的未來發展趨勢。

        系統級芯片(SOC)公司紛紛預測: 在未來的幾年里，完整的信號回路(數字+模擬+存儲器), 甚至GSM系統(包括電源管理)將集成于一體。納米級光刻技術(最小尺寸小于100nm)的發展推動了集成技術的進步，事實上存在產品自身的技術限制。然而，在一個芯片上集成的晶體管越多，它們的工作電壓則越低，例如，0.13μm級芯片的工作電壓僅為1-2V。

         電源線路(PLINE=VLINE*ILINE)具有雙倍頻率

        另一方面，功率芯片制造商正不斷開發能夠處理高電壓和大電流的技術。將交流電網電壓轉換至中間母線需可靠的設備提供數百伏電壓和數安培電流。同時，再由母線電壓轉換至最終負載電壓則需要數百安培電流的低壓設備。上述功率轉換已在個人電腦上實現了，它先將線路功率因數校正(PFC)電壓降至電源盒外的母線電壓，再降至主板的通用低電壓, 這充分展示了新的高電壓和大電流半導體技術及其架構的效用。

        諧波極限值和功率因數校正

        當電氣負載(如PC)消耗的電流與輸入電壓(AC線路)同相，且電流不失真(正弦波)時，交流電網的功率輸出可達到最佳狀態。為此，作為歐洲標準的IEC 6100-2-3規定了各類設備的諧波極限值。例如，所有消耗功率超過75W的個人電腦的諧波(度數 n=3、5、...至39) 都必須處于或低于給定的曲線(以mA/W為單位)。目前,臺式機的功耗在140W至250W之間，這意味著所有銷售到歐洲的PC都必須符合上述標準。當這項標準確立后，世界其它地區都將逐步按照其執行。

        諧波越高, 限制越嚴格。但這些諧波的能量也越少，更易于濾波。根據該規范，允許諧波電流的最大輸出大于600W，這樣要在更高功率下符合這一規范就更具挑戰性。

        功率因數(PF)是與線路提供功率的綜合質量相關的一個總體參數，它與輸入電流總諧波失真(THD)的關系如下式所示：

        式中(是線路電壓和消耗電流間的相位差。無相位差((=0)，且無失真(THD=0)時， PF=1。由于分子(cos( (在0到1之間， 而分母總是大于或等于1，因而PF (=1。

        由于IEC 61000-3-2標準規定了THD的諧波分量，THD和PF因此都不足以度量性能。實際上，這一規范的度量和遵從標準為諧波失真參數，這個參數以及達到這一規范的技術一般被劃分到“PFC”或“功率因素校正”的類別中。

        理論上，PF表達式中的cos( 既可為正，也可為負。請記住，負的cos( 值相當于負載電路對線路供電的情形。在基于二極管橋的整流電路中，這種情形是不可能發生的。

        
        功率轉換鏈高級方塊圖，從交流線端至中間電壓總線Vbus。

        諧波極限值規范的約束

        將功率從交流電網引至負載的標準方法是直接在負載兩端跨接二極管橋整流器。如以由二極管橋式整流器和阻抗負載組成的簡單系統為例，橋后的電壓和電流則不失真，無相位差，可整流為正弦波，且PF=1 (圖1)。在這種情況下，輸入到負載上的功率由倍頻、零最小和瞬時值波形構成：