2. 基础知识

在单相PFC电源设计中，功率因数（PF）、总谐波失真（THD）、效率（η）是三个最常被同时提及、却又最容易被混为一谈的核心指标。很多初学者会认为“PF高就等于THD低”，或者“效率高就说明PF好”，这些理解都不完整。本节从定义出发，梳理三者的物理含义、数学关系以及对应的国际标准，为后续的拓扑选择和控制策略打下基础。

一、核心定义：三个指标各自在衡量什么

功率因数（Power Factor，PF）定义为有功功率与视在功率之比：

PF = P / S = P / (Vrms × Irms)

它衡量的是电源从电网“取用”的电能中有多少是真正做功的。PF由两部分构成：一是电流波形与电压波形的相位差（位移因数，cosφ），二是电流波形的畸变程度（畸变因数）。对于纯正弦且同相的电压电流，PF=1；对于典型的桥式整流+大电容负载，PF通常只有0.5～0.65。

总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）衡量电流波形偏离正弦波的程度，通常以电流THD表示：

THD_i = √(Σ(I_n²)) / I_1   (n = 2,3,4…)

其中I₁为基波电流有效值，I_n为各次谐波有效值。THD越小，电流波形越接近正弦。

效率（Efficiency，η）定义为输出功率与输入有功功率之比：

η = P_out / P_in

它衡量的是能量转换过程中的损耗大小，与PF、THD属于不同维度：PF和THD描述“电流质量”，效率描述“能量利用率”。

二、THD与PF的数学关系

在电压为正弦波、且电流与电压基波同相（即位移因数接近1）的常见假设下，PF与THD存在明确的换算关系：

PF ≈ 1 / √(1 + THD²)

THD = 5%  → PF ≈ 0.9988
THD = 10% → PF ≈ 0.9950
THD = 30% → PF ≈ 0.9578
THD = 50% → PF ≈ 0.8944
THD = 100% → PF ≈ 0.7071

这条关系式说明：当THD低于10%时，PF几乎接近1；而当THD达到50%时，即使相位完全对齐，PF也只能到0.89左右。因此在高频PFC设计中，降低THD是提升PF的主要手段。但要注意，该公式成立的前提是位移因数≈1；若存在明显相位差，PF还需再乘以cosφ。

三、国际标准与限值要求

针对交流电网侧电流谐波，国际电工委员会发布的IEC 61000-3-2是最具约束力的标准，欧盟EN 61000-3-2与其等同。该标准按设备功率和类型分为A、B、C、D四类，其中D类（功率≤600W的个人计算机、显示器、电视等）对奇次谐波有最严格的限值。下表列出D类设备部分关键限值（以每瓦谐波电流mA为单位）：

谐波次数	D类限值（mA/W）	最大允许电流（A）
3次	3.4	2.30
5次	1.9	1.14
7次	1.0	0.77
9次	0.5	0.40
11次	0.35	0.33

此外，IEC 61000-3-2还规定：对于额定功率大于75W的设备，必须满足谐波限值；而带有源PFC的电源通常可将THD控制在5%～10%，轻松满足D类要求。另一项常被引用的标准是能源之星（ENERGY STAR）和80 PLUS，它们对PF和效率提出更高要求：例如80 PLUS金牌要求20%负载时PF≥0.90、50%负载时PF≥0.95，同时效率达到87%以上。

四、案例与常见误区

假设某65W笔记本适配器采用传统桥式整流+大电容滤波，实测输入电流THD为120%，PF约0.55。若仅靠增大电容或加电感滤波，THD可降至80%左右，PF提升到0.70，但仍无法满足IEC 61000-3-2 D类限值。此时必须引入有源PFC升压电路，将电流波形校正为正弦，THD可降至8%以内，PF达到0.99以上。

五、指标之间的权衡与设计启示

在单相PFC设计中，PF、THD、效率三者往往需要折中。提高开关频率可以减小电感体积、改善THD，但会增加开关损耗、降低效率；增大升压电感可以降低电流纹波、改善THD，但会增大体积和成本。因此，设计目标应明确为：在满足IEC 61000-3-2限值的前提下，尽可能提升全负载范围内的PF和效率。