作者：文天祥,符致华
出版社：机械工业出版社
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开关电源工程化设计与实战——从样机到量产试读：
作者简介
文天祥，中国电源学会照明电源专业委员会委员，中国电源学会青年工作委员会委员，IEEE会员。电力电子专业研究生毕业后，十年来一直从事电力电子研发设计工作，历任研发工程师、资深工程师、研发经理、平台架构师等，期间主导研发了多款行业及至全球领先的产品，销售数量累计达千万级，为所在公司带来了巨大的经济效益。在技术积淀上，在开关电源拓扑、半导体元器件应用、LED照明电子及系统应用、消费性电子产品可靠性设计等方面有丰富的经验和独到的见解，并在电源设计及应用领域获得多项国际专利。熟悉电子产品项目管理，以及消费性电子产品完整生命流程管控。作为电源学会委员，积极参与行业标准的制定和起草，并多次负责联系国际知名电源专家来中国举办电源类培训事宜，翻译出版电源相关书籍多部，代表性著作如下：
1.译著（唯一译者）：Robert A.Mammano写作的《Fundamentals of Power Supply Design》，中文版书名：《电源设计基础》，2018年10月出版，辽宁科学技术出版社。
2.译著（唯一译者）：Sanjaya Maniktala写作的《Intuitive Analog to Digital Con-trol Loops in Switchers》，中文版书名：《开关变换器环路设计指南—从模拟到数字控制》，2017年5月出版，机械工业出版社。
3.译著（唯一译者）：Morgan Jones写作的《Building Valve Amplifier》（2nd edi-tion），中文版书名：《电子管放大器搭建手册》（第2版）2016年9月出版，人民邮电出版社。
符致华，IEEE会员，电子专业本科毕业八年来一直从事开关电源研发设计工作，在开关电源拓扑、半导体元器件应用及消费性电子产品可靠性设计等方面有丰富的经验和独到的见解。主要研发各类开关电源和LED照明电子及应用，曾任高级研发工程师、研发经理等职位，负责产品从研发端到量产的整个流程，包括准确的元器件选型、系统失效异常分析和EMC的评估，为公司节省的研发成本达几千万元。曾就职于松下电子、欧普照明研发中心等公司。
第1章 单级功率因数校正（PFC）电路工程化设计
1.1 功率因数（PF）的历史渊源
功率因数（Power Factor，PF）一词，是电源工程师最为熟悉的一个名词，基本上从刚接触电源伊始，就会接触到PF这个名词。与之相对应的是，PF的概念及意义，却是让众多工程师疑惑的问题，不管新手乃至经验丰富的工程师，在此概念上都或多或少存在过困惑。本节希望正本清源，理清PF这一概念，同时希望纠正网络上众多资料中错误的概念及表述。
本书的读者至少在如下一些描述中遇到过令他们头痛的问题，很多情况是在面试中被问到，它们看起来是那么理所当然，但实际回答时却无从下手：
问题1：PF会大于1吗？
问题2：PF有负数吗？
问题3：PF与电路负载有关系吗？
问题4：直流电也存在PF的概念吗？
问题5：PF是表征电源的特性还是表征输入电网的特性？
问题6：PF是政府与产品生产者/使用者之间的博弈吗？即PF代表谁的立场？或者说为什么对PF有要求？
问题7：PF与电源电路拓扑结构有关系吗？
问题8：PF与电源效率有关系吗？PF高了，效率会提高吗？
问题9：PF和总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）成反比吗？（这一点后面有一小节专门会讨论到）
问题10：为什么信息技术类设备在75W以上会要求“PF”（而目前国内照明类产品却一般在25W以上要求“PF”（注意：此处的PF都加了引号）？
问题11：PF和PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）的混淆（众多资料混淆了二者的概念）？
面对上述这些表面看似简单的问题，我们还是一步步从源头出发，拿起我们曾经忘记过的课本（不需要很复杂的数学理论分析，也不需要很高深的电路理论分析，只需要最简单的电路学或是电工学即可），有些电源行业从业者并不一定系统地学过电路分析等专业课程，但是这不妨碍我们的理解，在这里我们试图以一种较为简洁的方式来说明PF这一参数的意义和价值，为后面电源电路设计提供一定的理论基础。注意，本书不刻意去强调理论的重要性，因为本书的宗旨即是一本工程化研发笔记，如果过多着墨于理论分析，那就有悖于本书出版的目的，因为大量的公式和理论分析会让80%以上的工程技术人员望而却步，从而造成的结果是，一本书总是翻在前几页，而永远不会看完。在海量知识包围的今天，工程技术人员受到“快餐式”研发流程的影响，让他们花大量的时间在阅读理论分析上有点不太现实，所以在本书里，我们只讲最关键最必要的公式，也会把公式讲透。图1-1 功率因数的两个部分
从图1-1中可以看到，功率因数包括两个部分，一个称之为相移因数（这里用cosφ表示）；一个称之为畸变因数。用数学公式表达为
注意，在抛出所有的问题之前，读者需要知道的是，PF的符号是希腊字母λ，而不是cosφ。
诚如之前所述，读者对公式不太敏感，故我们仍以图形化来表示。
假设：对于从发电装置里出来的电压信号，我们默认将其作为基准，其波形是正弦曲线。在这里，我们定义如下：
相移因数cosφ被定义：固定在某一参考点下，电压与电流之间的相位差，即电流与电压不同步，这是从时序上去看，从图1-2看到可知，它是有正负向之分的。图1-2 功率因数两个部分的图形化表示
畸变因数被定义为电流与电压的波形形状不同，因为如前面设定，电压为完美的正弦曲线，但电流由于接在电网上的负载不同，导致汲取的电流波形形状与电压波形不同，这是从波形角度来看。
基于式（1-1）我们可以看到，相移因数，其值为1～1。而畸变因数永远≤1，所以我们可以知道PF的数值范围为1～1，不会超过1，这即回答了问题1。同时我们一般是从电网端去观察，所以PF同时也反映出设备接入电网后，电网受到的影响程度，所以PF是同时反映出电源和电网端的性能。
由于接入电网的负载有各种各样不同的形态，PF会受到负载的不同影响进而不同，一般有如下三种情况：
1.纯阻性负载，即负载对相移没有影响，对畸变也不构成影响。典型负载如白炽灯泡，加热器等。
2.纯无功元件（电容或是电感）负载，这只对相移产生影响，同样对畸变不构成影响。典型负载有电机类负载。
3.非线性负载，是1与2的组合，这样即为我们通常见到的情况，这类负载不仅影响了相移，还导致了畸变的产生。典型负载如各类电子产品，如节能灯、电源类产品等。
仍旧以图形化来表征上述三类情况（见图1-3）。图1-3 不同负载对PF的影响
不同负载下对应的PF结果如图1-4所示。图1-4 不同负载对PF的影响（图形化表示）
当读者看到这里的时候，应该可以回答上面提出的多个问题的其中几个了。
问题1：PF会大于1吗？
不会大于1，从数值维度上看，PF介于0到1之间，最大为1，不会超过1，测量出超过1的情况，一般是测试仪器出现了问题或测试方法有误，这里要说明的是，许多低端的PF测量仪器，由于受测试准确度和带宽的限制，测出来的PF出现超过1的情况，这对于输入电流为非标准正弦时，测试结果错误更为明显，所以要尽量选择高带宽（尽量涵盖更多次谐波检测的）仪器来进行PF（以及THD）测量。
问题2：PF有负数吗？
PF是可以存在负数的，因为从公式中可以看到，相移这一项，电流如果超前于电压，即为负数，而畸变这一项永远不会为负，这里必须说明下，从本书涉及的产品的角度来看，只考虑PF的绝对值，即我们常说的PF为0或正值，处于0到1之间。
问题3：PF与电路负载有关系吗？
有，上述图1-4中可以清楚地看到不同的实际应用负载会影响到PF。
问题4：直流电也存在PF的概念吗？
不存在，因为PF定义是在交流供电系统中，而且是以正弦信号作为参考。
再回到更复杂的两个问题：
问题5：PF是表征电源的特性还是表征输入电网的特性？
从定义来看，PF是电源（或是其他负载）与电网共同依赖存在的一个参数，因为参考量即为电网电压，而从电网汲取的电流（不管大小、相位还是形状）却与负载相关。只是我们现在众多场合，以及众多教科书中将其表达简化了，默认电网及其形态是固有存在，而负载总是变化不可预知的，所以PF更多时候是用来表征电源（负载）本身。
问题6：PF是政府与产品生产者/使用者之间的博弈吗？即PF代表谁的立场？或者说为什么对PF有要求？
这是一个很有意思的问题，当各种标准条例出来后，政府（或者说是供电方）对消费者使用的产品PF值提出了要求，后面会详细分析当今全球主流市场/国家对PF的要求。为什么会出现这样的情况，这还仍然需要我们从PF的定义源头上去看。
1.1.1 有功功率、无功功率及其他概念
有功功率：又叫平均功率，因为交流电的瞬时功率不是一个恒定值，功率在一个周期内的平均值称之为有功功率，它是指在电路中电阻部分所消耗的功率，对电动机来说是指它的出力大小，以字母P表示，单位为瓦（W）。
无功功率：在具有电感（或电容）的电路中，电感（或电容）在半个周期的时间里把电源的能量变成磁场（或电场）的能量贮存起来，在另外半个周期的时间里又把贮存的磁场（或电场）能量送还给电源。它们的存在，只是与电源进行能量交换，并没有真正消耗能量。我们把与电源交换能量的振幅值叫作无功功率，以字母Q表示，单位乏（var）。
视在功率：在具有电阻和电抗的电路内，电压与电流的直接乘积叫作视在功率，以字母S表示，单位为伏安（VA）。
而真正用于做功（消耗）的功率我们用有功功率来表示。所以我们经常看到电厂的总装机容量用的是有功功率来表征，也即用来向使用都收费的那部分功率（这里简化概念，仅对民用家庭用电的计费来进行理解），但下面会引出另一个问题：
从式（1-2）和式（1-3）可以看到，如果PF越低，需要供电方提供的功率就越多，即供电方需要的成本也相应要升高，但是消费者是以进线电表的功率形式（即为有功功率）来支付电费，那问题就来了，低的PF导致的无功功率谁来承担。举例说明，一个负载为400W，由于负载PF只有0.8，那么供电局需要提供的功率为400W/0.8=500VA，用户只为400W的负载交纳电费，而供电方需要提供500VA的功率，那多出来的100VA谁来承担？这样即出现了供电方，一般也是政府会要求使用者产品PF尽量要高，以尽可能地减少无功功率的产生。
外文资料对于功率因数（有功功率、无功功率）有一个类比，将功率三角形（有功功率、无功功率、视在功率）和一杯啤酒进行类比，这个类比极为恰当，如图1-5所示。图1-5 功率三角形与啤酒的类比图
而对应于不同功率因数下的情况如图1-6和图1-7所示。图1-6 不同功率因数下对应的啤酒类比图1-7 可用/浪费的电力与啤酒的类比“浪费”的电力（无功功率部分）即为这杯啤酒产生的“泡沫”。
当然，电费问题（关系到供电方的设备容量问题）只是这个博弈之中的一部分，如果大量的低PF用电负载加在电网上面，其危害还体现在另一个方面，它增加了传输线路的损耗。这里的传输线路，包括从发电机经过输送线缆、配变电站变压器，到终端用户之间的所有线路，线路中消耗的功率见图1-8。图1-8 线路中消耗的功率
因为消耗的功率一定，V即电网的端口输出电压一定，那么传输线上的电流和功率因数成反比，当PF降低的时候，那么线路上的电流增加，这是一个很恐怖的事情，因为电流的增加，意味着整个传输线路上的线缆、绝缘材料、变压器都需要更大的电流额定，通俗地来说，即传输线路会因为功率因数的降低而要升级，那么同样增加了成本，而更为严重的是传输配电线路中的损耗，其关系见图1-9。图1-9 传输配电线路中损耗关系
在这里，P是指线路中的损耗；R为整个路径上的阻抗；Ilossloss为线路中的电流；V即为压降。loss
线缆和导线中总是存在电阻，这样在传输中的损耗如图1-9所示，可以看到，损耗与线路电流的二次方成正比，所以提高PF，可以减少线路中的电流，也可以减少输电线路中的损耗。
在这里我们可以得到关于问题2的答案了：
· 低的PF用电设备，对供电系统及输电系统存在不利影响。
· PF与消耗的实际有功功率无关，对终端用电用户不存在影响，因为终端用户只对有功功率付费，即产品消耗的实际功率。
再回到定义：
那么不利影响产生的原因是因为相移因数还是因为畸变因数，抑或是二者的综合影响呢？
1.1.2 相移因数和THD的各自影响
如图1-10所示，发电厂产生的高压，经过电力传输变压器，最终供给终端用户使用，其电压范围一般为220～380V（中国地区）。
注意这里，用电设备产生的谐波THD及相移因数cosφ会呈现在220～380V的电网中，但是谐波却不能够通过电力隔离传输变压器，返回到发电厂，而相移因数却可以。如果是从终端用户来看，二者对消费者都没有影响，即消费者感受不到一个设备的PF是高还是低的区别。图1-10 配电传送路径中谐波和波形相移的传输
所以这里的结论就很明显了：
1）PF低只会降低输电以及配送的效率。
2）而电流谐波由于不能通过变压器网络，故对发电系统没有影响。
看起来所有的副作用只由相移因数cosφ产生，那么是不是电流畸变根本没有任何副作用？答案是，有副作用，但仅存在于建筑物安装配线过程中。
如下是一简单影响分析。
电流谐波因为不能通过380V～10kV的传输变压器，也对绝大多数家用的220～240V用电系统也不会产生影响，那么谐波的影响体现在380V系统中。
图1-11为电流畸变对各个环节的影响。图1-11 电流畸变对各个环节的影响
在大型商业建筑中，很多采用的是三相四线供电系统，即低压配电系统中，这种三相四线制系统在工业供电、民用住宅以及城市供电等电力系统中普遍应用。图1-12为三相四线的供电电缆实物图。
谐波THD会影响三相四线制中的中线，具体来说，如果用电设备产生大量谐波的话，只有奇数次谐波才有影响（如3次、5次、9次、15次等谐波）。
而中线一般也作为保护性接地，即通常所说的PEN接地线，这在大型建筑物的三相380V供电系统中广泛存在。
所以结果就是，谐波电流会流入到中线上，这样的后果就是导致中线上过热，最终可能导致火灾发生。而正常情况下，由于三相平衡，接地中线上是没有电流流动的。所以，读者看到这里，就知道为什么政府及标准对谐波有要求了。虽然由于奇数次3次谐波导致的类似PEN接地中线过热问题这种情况发生的概率极低。
下图1-13从理论层面分析了三相四线制中谐波的影响。图1-12 三相四线的供电电缆图1-13 谐波在三相四线制电缆中的叠加效应
可以看到，不为零的中线电流会导致中线或地线过热。
然而畸变的电流可以用不同次数的谐波电流来量化表征，即THD：
这里i即为第n次谐波的幅值，由式（1-5），我们通过归一化计n算（相对于基波的大小百分比），可以得到图1-14所示的直方图。图1-14 归一化谐波比例直方图
仔细分析上图，可以得到一个比较有意思的结论，即各次谐波的存在是非常有规律的，总的来说，可以分成三组：
1.奇数3次谐波，如3次、9次、15次等，如前所述，它们的向量叠加对380V建筑物供电系统有影响，但不能通过变压器折回到发电厂。但是也可以看到，从9次谐波后开始，各次谐波的绝对值非常小以至于影响微乎其微。
2.奇数非三次谐波，如5次、7次、11次等，它们没有向量相叠加的情况，而且一般来说其绝对值也很小。
3.偶数次谐波，从周期函数的傅里叶分解可以看到，它们是不存在的。
最后做一总结，如图1-15所示。图1-15 相移和THD对供电、配电、用电端的影响概览
1.2 现行标准IEC 61000—3—2及其他
由于本书侧重的范围为中小功率等级，所以参考的标准也就是现行最为广泛采用的一份关于谐波的强制性标准，也就是IEC 61000-3-2，随着时间的推移，此标准不断更新，全球各国（包括中国）也通过比照自身的国情，都或多或少在其上进行修正，在这里我们不详述标准的具体内容，仅突出大家可能以前从来没注意到的问题。
1.此标准为IEC 61000—3—2Electromagnetic compatibility（EMC）-Part 3-2：Limits-Limits for harmonic current emissions（euipment input current≤16 A per phase），中文即为电磁兼容（EMC）-第3-2部分：限值-谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）。我们本书中所讨论的产品基本上在此标准覆盖的类别范[1]围之内。
可以看到，谐波电流限值是一项电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）要求，确切地说是EMC中的EMI部分要求，相信读者通过前面的论述，已经知道了谐波电流过多会影响到什么，所以这是属于电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI）的范畴。
2.此标准的适应范围也被限定在以下类别中（具体细节请大家查阅相对应的标准）：
· 除了C类设备，额定功率小于75W不做要求；
· 大于1kW的专业设备不在此要求规定之内；
· 对称受控加热单品功率＜200W的不做要求；
· 白炽灯调光器（与白炽灯灯具一起使用时）功率＜1kW也不做要求。
3.这个标准中，提到了两个功率等级即75W和25W，以及四类设备A/B/C/D，注意它们指的是输入功率，而不是实际输出功率。由于现在LED照明越来越流行，针对LED照明所对应的谐波要求，对PF的要求一直处于模棱两可的情况，直到本书写作的时候，即2019年，LED灯以及LED灯具的谐波要求都没有统一，后续会有一个专门的章节来解析当今全球主流国家和机构在LED照明这方面的要求。
但是IEC 61000—3—2作为唯一的指导性标准，这个标准让绝大多数入门级工程技术人员，甚至于安规认证人员有点头痛，因为A/B/C/D四类的划分并不是特别明显，举例来说，A类的典型设备包括一项目是带调光设备的白炽灯，而C类设备中却又指定照明设备。所以笔者会予以澄清，特别是本书的工程化指导很大程度上是用于LED电源设计和适配器电源设计。（1）很多工程技术人员乃至一些认证公司的技术人员，一看到照明，特别是LED照明就默认地选择C类限值。这不一定正确，从C类的限值来看适用于照明设备，但如白炽灯调光器就不属于照明设备；其次，C类的设备也不全是采用C类的限值，如带有内置式调光器或壳式调光器的白炽灯灯具属于C类的设备，但是限值用A类的；有功功率不大于25 W的放电灯，可以用D类设备的限值。（2）LED灯（特别是功率小于25W的LED灯具）既不能当作是白炽灯，也不能认为是放电灯。标准中有功输入功率小于25W的要求，但是这些要求不适用于LED，这就是为什么笔者一直重复说到的LED照明标准缺失的问题。将来的标准将包含基于LED光源的独立条款，这会在后面章节中单独讨论。（3）测试时只要按照铭牌上标注的功率分25W上下测就可以了。这种看法是片面的，因为照明设备的PF相差很大，标准中要求是以有功输入功率来判定不同的限值。目前一些地域性标准或是招标性规范中开始对其进行了细分处理。
对于D类设备我们就很清楚了，即常规的信息技术类设备，如个人电脑、平板电脑、电视等。其功率≤600W，这样我们电源研发人员平常设计的适配器一般是属于此类。
综上，此标准的要求，即对40次以内的电流谐波提出要求，由之前的直方图（见图1-14）可以看到，谐波次数越高，其绝对分量/有效分量也越来越小。
读者还会问，为什么有两个界限，75W和25W，这个笔者查阅了大量的资料，并没有得到一个统一认同的说法，但从查证的资料来看，都指向一个事实就是接入电网中此类设备中的数量，输入功率＜75W的设备不在此标准要求之内，是考虑到标准定义之时，IEC 61000—3—2第一版发布于1995年，由于当时电气设备的效率低下，可能存在用电设备普遍功率较高的情况，故75W是作为一个分界点而提出来。
但是照明设备却定义在25W为分界点，基于前面的推论，足够的调研数据表明，照明占全球所有用电设备中消耗能源的20%左右，数量庞大，一幢楼宇里用的照明设备成千上万，故IEC 61000—3—2单列一类给照明设备，同时将谐波的限制功率分界要求也降低到25W。
还需要提及一点，标准这里定义的都是电流谐波THD，没有涉及相移因数（可以参考后续章节）。
1.3 PF与THD
PF（有的也用λ表示）和THD的关系，我们重写公式如下：
将此公式通过作图得到如图1-16所示（通过具体的实例取点可以得到），坐标轴为THD和相移因数，得到不同的条纹区间即为PF值的区域范围。图1-16 相移因数和THD综合影响（1）
当PF为0.5～0.6的时候，以及PF为0.9～1的时候，两个区域如图1-17所示，这两个区域即为目前中小功率用电设备的典型PF值。图1-17 相移因数和THD综合影响（2）
再深入下去，我们取两个点，如在PF=0.5～0.6的区间里选一个点，在PF=0.9～1的区间里选一个点，如图1-18所示，可以得到：
PF=0.55，THD=120%，cosφ=0.86
PF=0.90，THD=20%，cosφ=0.92
有意思的问题来了，两个PF值相差很大，但其实相移因数并没有太多的差异，而影响PF的却是THD，从20%变化到120%。图1-18 相移因数和THD综合影响（3）
同样，也可以用MATHCAD工程计算软件来做出这一个关于三维关系图，如图1-19所示。图1-19 PF和THD三维关系图
如果固定相移因数，这个隐含项通常也被大家忽略掉了，同样我们可以得到PF与THD的关系如图1-20和图1-21所示。图1-20 PF和THD综合影响图1-21 PF和THD综合影响之相移因数为1、0.5、0.8时THD和PF的关系
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]