突破传统PFC局限：CXSU63307临界导通模式APFC方案深度解析
在追求高效能电源设计的今天，有源功率因数校正（APFC）技术已成为解决电网污染的关键方案。本文详解基于CXSU63307芯片的临界导通模式（TCM）APFC设计，实现250W功率输出、96.8%峰值效率和0.999超高功率因数，为工程师提供可复用的高性能解决方案。
一、方案核心特性与技术优势
该方案通过TCM模式突破传统PFC局限，显著提升能效：
1.1.电气性能
1.1.1)输入电压：AC 90-265V（宽幅兼容全球电网）
1.1.2)稳压输出：DC 400V±1%（满足工业级稳定性需求）
1.1.3)功率因数：0.999（满载250W时THD<10%）
1.1.4)能效曲线：50W负载效率93.6%，250W峰值效率96.8%
1.1.5)低 THD，高 PF
1.1.6)额定输出功率：250W
1.2.物理结构
1.2.1)紧凑型PCBA：100×70×40mm（较CCM模式缩小35%体积）
1.2.2)关键器件：PQ3220磁芯电感（0.26mH）、20N60功率MOSFET、STTH5L06续流二极管
技术对比：TCM模式相较CCM模式，通过零电流开关技术（ZCD）实现：
1.二极管零电流关断
2.MOSFET零电流开通
3.降低开关损耗30%以上
二、临界导通模式的工作原理创新
源功率因数校正电路具有更好的功率因数校正性能，以及更高的功率密度，获得广泛应用。有
源功率因数校正电路是在整流器和负载之间接入一个 DCDC 开关变换器，通过控制技术使输入
电流波形自动跟踪交流输入正弦电压波形，从而减小 THD，提高功率因数。在该技术中，由于
采用了有源器件，故称为有源功率因数校正。
对于单相有源功率因数校正电路，Boost 电路以其特有的优点，如输入端有大电感，输入
电流可以连续，电路简单，效率高等，被广泛地应用于 APFC 变换器。根据电感电流是否连续，
APFC 电路分为连续导通模式（CCM）和临界或过渡导通模式（TCM）2 种。其中 CCM 模式由于电
感电流连续、纹波小、电磁干扰小和开关管电流应力小等特点，适用于功率较大的应用场合，
但其需要比较大的 PFC 电感。而 TCM 模式则相反，且可以实现续流二极管的零电流关断，以及
功率场效应管的零电流开通，因此在小功率场合应用广泛。
math
V_i = L \frac{di}{dt} ⇒ i_m(t) = \frac{V_i(t) \times \tau_{on}}{2L}
实现电流波形与电网电压正弦波的同相锁定。
2.2.1)THD优化电路：消除过零点失真（实测THD<8%）
2.2.2)800mA图腾柱驱动：直驱MOSFET降低开关延迟
2.2.3)数字RC滤波器：集成于电流检测端，简化外围电路
2.2.4)两阶过压保护：提升系统鲁棒性
2.3临界电流模式的 APFC 原理
CXSU63307 主要特点有：乘法器内置 THD 优化电路，以减小过零点失真，降低 THD 值；极低
启动电流（典型值：50uA），可降低芯片功耗；内部参考电压于 25℃时误差率在 1%以内；使能
功能，可将系统关闭，降低损耗；两级的过电压保护；内部启动及零电流侦测功能；在电流侦
测输入端内置数字 RC 滤波器，简化外围电路；800mA 的图腾级输出，可用于直接驱动功率 MOSFET。
具体内部结构框图如图 3-1 所示。
CXSU63307 是采用变频的 PFC 控制芯片，使 Boost 电路升压电感工作在临界电流模式。下面
推导其功率因数校正的原理。导通时，电感 L 的电压等于输入电压 Vi，为
开关管的导通时间 Ton 是由芯片内部电压误差放大器的输出信号再经过乘法器与电流检
测相比较产生的，由于误差放大器的频带宽度取地比较低，所以稳态导通时间 Ton 保持恒定。
由于采用零电流检测技术，当 PFC 电感的电流为零时，功率 MOSFET 才控制导通，所以在
每个开关周期内电感电流从零开始线性增大，在导通固定 Ton，之后，由于功率 MOSFET 关断，
又线性减小至零。因此电感电流的变化值∆i总是等于其峰值大小ipt(t)，如 图 3-2 所示。电感
电流瞬间平均值iav(t)为ipt(t)的一半，由于输入电流等于电感电流，所以
由上式可知瞬态输入电流与瞬态输入电压成正比，使得输入电流波形能自动跟踪输入电压
正弦波波形，达到功率因数校正目的，理论上功率因数可以达到 1。
三、250W方案设计实战解析
3.1. 电路工作流程
3.1.1)启动阶段：整流后脉动电压经R2/R3向VCC电容充电，达12.5V后芯片激活
3.1.2)稳压控制：
3.1.2.1)FB引脚（Pin1）采样输出电压，与2.5V基准比较
3.1.2.2)MULT引脚（Pin3）接收分压后的正弦半波信号
3.1.3)电流跟踪：
3.1.3.1)CS引脚（Pin4）检测R14//R15电流信号
3.1.3.2)当CS电压>MULT参考值时关断MOSFET
3.1.4)ZCD同步：电感耦合线圈提供零电流检测信号（Pin5），电压降至0.7V时触发MOSFET导通
3.2. 电感设计公式与选型
关键设计公式：
L = \frac{V_{trms}^2 \times (V_o - \sqrt{2} \times V_{trms})}{2f_{min} \times P_t \times V_o}
3.2.1)取$f_{min}$=40kHz（高于芯片最低13kHz要求）
3.2.2)计算得L=0.26mH
3.2.3)磁芯选型：PQ3220（PC40材质）
3.2.4)绕制参数：
3.1.4.1)初级：62匝Φ0.8mm线（密绕）
3.1.4.2)次级：6匝Φ0.3mm线
3.1.4.3)层间绝缘：3M胶带3层隔离
3.2.变压器绕制示意图
四、实测性能验证
4.1 波形测试数据
| 测试条件 | CH1信号 | CH4信号 | 关键指标 |
|---|---|---|---|
| 220Vac/250W | 整流后电压 | 输入电流 | 相位差<1° |
| 满载工作 | 输出电压纹波 | MULT引脚波形 | 正弦跟踪误差<3% |
4.2 开关特性
4.2.1)MOSFET开关频率：40-120kHz（随负载动态调整）
4.2.2)ZCD信号精准触发：关断延迟<100ns
4.2.3)CS引脚消噪：内置数字滤波器抑制尖峰
五、BOM关键器件选型指南
5.1 核心器件清单
设计警示：R14/R15电流检测电阻需选用0.33Ω/2512封装，功率余量≥3W避免过热失效。
六、行业应用前景
此方案已成功应用于：
1.LED工业照明驱动电源
2.服务器AC/DC前端模块
3.工具快充适配器电动
实测表明在180-264Vac输入范围内，PF值稳定于0.99以上，THD保持<15%，显著优于IEC 61000-3-2谐波标准。
七,方案原理图及工作原理描述
7.1.方案原理图
图 4-1. 基于 CXSU63307 的 APFC 电路
7.2.工作原理描述
基于 CXSU63307 的 APFC 原理图，当接通电源时，电网交流电压经过整流桥整流输出正弦半波
直流脉动电压，通过 R3、R2 电阻对 VCC 引脚的外接电容开始充电，此时 CXSU63307芯片将在低静
态电流工作模式大概消耗 50uA 的工作电流，当 VCC 引脚上的电容电压充到 12.5V 以上时，芯
片开始工作。正常工作时芯片由与升压电感耦合线圈供电。
芯片的 7 脚输出 PWM 控制 Q1 的开通与关断。直流输出电压经过电阻分压采样输入到芯片
的误差放大器的反相端引脚 1 脚，与内部的 2.5V 基准电压比较放大，作为乘法器的输入。同
时电源经过 R4、R5 分压，至 3 脚得到一个正弦半波电压，为乘法器的另一输入源，这两个电
压经乘法器乘积后，可得到一个正弦半波参考电压。
当 Q1 导通时，PFC 电感电流按 di/dt 斜率上升，流经 R14//R15，经过 4 脚与正弦参考电
压做比较，当 4 脚电压达到正弦幅值，Q1 截止。PFC 电感耦合线圈除了给芯片 VCC 供电外，还
提供开关管导通所需要的零电流 ZCD 检测信号。当 Q1 截止时，PFC 电感极性反转，耦合线圈
为正电位，提供芯片工作电源和 5 脚 ZCD 的参考电位。当 PFC 电感能量释放完后，耦合线圈的
电压也减小，5 脚电压随之减小，由于 ZCD 内部电路为负边沿触发，在下降到 0.7V 以下时，
芯片输出高电平使 Q1 导通。
因此经校正输入平均电流波形为完整的正弦波，且其相位与交流输入电源同相。
7.2.主要参数设计
设计的 APFC 样机输入电压 85-265Vac，输出电压 400V，输出功率 250W，采用基于 CXSU63307
的 APFC 电路。在 Boost 功率因数校正电路中，升压电感的设计至关重要，设计不当会使功率
因数降低或体积变大，以下是升压电感的设计，控制电路外围器件的设计则可参考 CXSU63307 的
数据手册。
由于本电路工作于变频控制方式，频率变化范围大，为避免电感饱和，所以设计升压电感
时，要按最低开关频率考虑。在电感电流中，开关频率最小值发生在输入电压幅值时(Q= 90 )，
t最大值发生在输入电压过零时(Q= 0 )。T设升压电感器的电感量为 L，则开关管的导通时间
Ton 和最长截止时间 Toff_max 为：
由于输入交流电压为范围值，当输入电压变化时，开关得最小频率也在变化，根据以上
公式可得不同输入电压和不同输出电压时，最小频率可能出现在最小或最大的Virms时。
CXSU63307 芯片的最小工作频率建议为 13KHz，以不干扰内部启动器（内部最小重启时间为 80
us），确保芯片在临界电流模式工作，本设计最小开关频率选为 40KHz，则电感量 L=0.26mH。
电感量 L 值确定后，根据下式 AP 值即可设计电感器。设计电感器为：磁芯 PQ3220，初级 62
匝，线径 0.8mm；次级 6 匝，线径 0.3mm。
八.方案典型波形
8.1.输入 220Vac-50Hz，带载 250W 时的输入电压电流波形
注：CH1：Vin（市电整流桥后的波形） CH4：Iin（市电电流）
8.2.CXSU63307 的 CS 引脚与 MULT 引脚具有相同的正弦形状
注：CH1：Vout（输出电压的纹波峰峰值） CH4：MULT CH3：CS
8.2.CXSU63307 在开关频率下的一些波形
注：CH1：Vout CH2：Vgs CH4：ZCD CH3：CS
九.方案 PCB
9.2. Top层走线图
9.3. Bottom层走线图
结语
CXSU63307的TCM控制架构，结合精准的电感参数设计，实现了小体积与高性能的平衡。该方案为250W级APFC电路提供了可复用的设计范式，其96.8%的效率与0.999功率因数指标，标志着临界导通模式技术在中小功率场景的成熟应用。
