安森美半導(dǎo)體80 PLUS銀級(jí)能效255 W ATX電源參考設(shè)計(jì)概覽

前言

在人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ髦杏?jì)算機(jī)消耗的電能非?？捎^，故業(yè)界十分關(guān)注計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的節(jié)能降耗。關(guān)注計(jì)算機(jī)能效的各標(biāo)準(zhǔn)組織及規(guī)范也相繼登場(chǎng)，如美國(guó)“能源之星” 、80 PLUS、計(jì)算產(chǎn)業(yè)拯救氣候行動(dòng)(CSCI)等。這些能效規(guī)范為計(jì)算機(jī)ATX電源設(shè)計(jì)人員帶來(lái)越來(lái)越高的挑戰(zhàn)，使他們面對(duì)很重的技術(shù)及市場(chǎng)壓力，特別是需要高性價(jià)比地將在真實(shí)世界條件下具有極高能效的ATX電源推向市場(chǎng)。

幸好，如安森美半導(dǎo)體這樣的領(lǐng)先供應(yīng)商不斷推出更高能效的ATX電源參考設(shè)計(jì)。早在2005年，安森美半導(dǎo)體就推出了業(yè)界首款獲得80 PLUS認(rèn)證的ATX電源公開(kāi)參考設(shè)計(jì)，這參考設(shè)計(jì)中提供的文檔包括功能框圖和全部示意圖、物料單(BOM)、電路板布線圖、設(shè)計(jì)描述、性能測(cè)試結(jié)果以及源自第三方的性能驗(yàn)證。隨著，安森美半導(dǎo)體于2007年推出第二代的 80 PLUS認(rèn)證ATX參考設(shè)計(jì)，采用新的元器件及設(shè)計(jì)技術(shù)，提供更高的能效。而在2009年，安森美半導(dǎo)體更推出第三代的80 PLUS銀級(jí)能效(完整負(fù)載范圍及交流電壓條件下能效達(dá)85%)的ATX公開(kāi)參考設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖1)，這參考設(shè)計(jì)在真實(shí)世界而非僅是實(shí)驗(yàn)室工作條件下，提供更高的能效，并且它的配置可立即投入生產(chǎn)，讓計(jì)算機(jī)電源制造商能以高性價(jià)比向市場(chǎng)推出在真實(shí)世界條件下能效極高的綠色ATX電源。

圖1：安森美半導(dǎo)體85 PLUS銀級(jí)能效ATX電源參考設(shè)計(jì)功能框圖。

規(guī)范及要求

這參考設(shè)計(jì)遵從ATX12 V 2.2版電源指南及規(guī)范，超越了80 PLUS銀級(jí)、“能源之星”、CSCI第三階段規(guī)范中對(duì)多輸出臺(tái)式計(jì)算機(jī)電源的能效目標(biāo)(見(jiàn)表1)。

這參考設(shè)計(jì)的其它關(guān)鍵參數(shù)的目標(biāo)規(guī)范包括：

輸入電壓：通用交流主電源：90 Vac至265 Vac，頻率47至63 Hz
安全特性：根據(jù)ATX12V 2.2版電源指引，這參考設(shè)計(jì)包含過(guò)壓保護(hù)(OVP)、欠壓保護(hù)(UVP)和過(guò)流保護(hù)(OCP)等保護(hù)特性

表1：臺(tái)式計(jì)算機(jī)多輸出電源能效目標(biāo)概覽。

電源架構(gòu)

總的來(lái)說(shuō)，支持安森美半導(dǎo)體這第三代ATX平臺(tái)的半導(dǎo)體元器件包括NCP1654 PFC控制器、NCP1396 HB LLC控制器、NCP4302同步整流控制器、NCP1027待機(jī)控制器、NCP1587帶同步整流的DC-DC控制器，以及由NCP1587驅(qū)動(dòng)的NTD4890單N溝道功率MOSFET。

1)初級(jí)端：PFC段

按電流工作特性來(lái)分，PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種，如非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)、臨界導(dǎo)電模式(CrM)和連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)。在本參考設(shè)計(jì)所涉及的功率等級(jí)，首選CCM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而NCP1654用于實(shí)現(xiàn)符合IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)、固定頻率、峰值電流模式或平均電流模式的PFC升壓轉(zhuǎn)換器，而外圍元件極少。這PFC段為第二段的諧振半橋雙電感加單電容(HB LLC)轉(zhuǎn)換器NCP1396提供恒定的385 V輸出電壓。

2)初級(jí)端：HB LLC轉(zhuǎn)換器

HB LLC轉(zhuǎn)換器段的核心是NCP1396諧振模式控制器。這控制器采用專有的高壓技術(shù)，包含一顆“充當(dāng)啟動(dòng)電路(bootstrapped)”的MOSFET驅(qū)動(dòng)器用于半橋應(yīng)用，接受達(dá)600 V的大電壓。 這控制器提供多種保護(hù)特性，如立即關(guān)閉或基于定時(shí)器時(shí)間的關(guān)閉、輸入欠壓保護(hù)、光耦合器斷路檢測(cè)等，既提供了轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的安全性，也不會(huì)增加電路的復(fù)雜度。

3)次級(jí)端：同步整流

諧振HB LLC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的12 V輸出采用專有的同步整流機(jī)制來(lái)整流，使用NCP4302和2顆外部單N溝道MOSFET。

4)次級(jí)端：DC-DC轉(zhuǎn)換段

直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換段采用兩顆相同的 DC-DC控制器來(lái)將12 V電壓向下轉(zhuǎn)換至+5 V、3.3 V及-12 V。所用的DC-DC控制器是低成本的脈寬調(diào)制(PWM)控制器NCP1587。這器件是采用極小型表面貼裝8引腳封裝的低壓同步降壓控制器。NCP1587能夠產(chǎn)生低至0.8 V的輸出電壓，提供1 A門極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)及內(nèi)部設(shè)定的275 kHz振蕩器。這門極驅(qū)動(dòng)器其它提高能效的特性包括自適應(yīng)非交疊電路。NCP1587還集成了外部補(bǔ)償誤差變壓器及電容可編程軟啟動(dòng)功能。保護(hù)特性包括可編程短路保護(hù)和欠壓鎖定。每個(gè)控制器都采用同步整流機(jī)制，各驅(qū)動(dòng)兩顆NTD4809(30 V、58 A、單N溝道功率MOSFET)元件。-+5 V輸出軌使用小的分立轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生12 V輸出。

5)次級(jí)端：監(jiān)測(cè)及監(jiān)控段

在次級(jí)端，四路直流輸出+5 V、+3.3 V、+12 VA和+12 VB均采用專用監(jiān)控控制器來(lái)監(jiān)控，這控制器還提供過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等功能，并產(chǎn)生功率良好(PG)邏輯信號(hào)。

6)待機(jī)電源

集成反激轉(zhuǎn)換器NCP1027提供12 W待機(jī)能效率，為另一個(gè)隔離的5 V電壓軌供電。這器件集成了固定頻率電流模式控制器和700 V高壓MOSFET。在輕載條件下，這IC將工作在跳周期模式，因而降低開(kāi)關(guān)損耗，并在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供高能效。

模擬真實(shí)世界條件下的能效測(cè)試結(jié)果

我們?cè)?0%、50%和100%這三種負(fù)載條件下，100 Vac、115 Vac、230 Vac和240 Vac四種不同交流線路電壓下測(cè)試了這參考設(shè)計(jì)的能效。實(shí)際上，相關(guān)認(rèn)證中并未規(guī)定線纜長(zhǎng)度，導(dǎo)致某些制造商宣稱的能效水平是直接在電源輸出端(或是采用不切實(shí)際的線纜長(zhǎng)度)測(cè)得的。現(xiàn)實(shí)中，可工作的臺(tái)式PC的外形因數(shù)及設(shè)計(jì)，意指電源和電能提供點(diǎn)之間的線纜長(zhǎng)度通常測(cè)得為約16英寸(41厘米)，因此，是總損耗的構(gòu)成因素。而安森美半導(dǎo)體的這些測(cè)試結(jié)果是在41厘米長(zhǎng)線纜的末端測(cè)得的，與真實(shí)世界工作條件相仿。

1)總能效

這參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)所有負(fù)載條件下高于85%的能效，符合80 PLUS銀級(jí)能效要求，見(jiàn)表2。

表2：不同負(fù)載條件下的總能效測(cè)試結(jié)果。

2)功率因數(shù)

50%及100%負(fù)載條件下的功率因數(shù)均高于0.9，符合80 PLUS銀級(jí)能效要求，見(jiàn)表3。

表3：各種負(fù)載條件下的功率因數(shù)。

3)待機(jī)能耗

各種交流輸入條件下待機(jī)能耗均低于1 W，符合多種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的待機(jī)能耗要求。

表4：待機(jī)能耗測(cè)試結(jié)果。

總結(jié)：

基于安森美半導(dǎo)體NCP1654、NCP1396、NCP4302、NCP1027和NCP1587等關(guān)鍵元器件構(gòu)建的255 W ATX電源參考設(shè)計(jì)在極寬交流輸入條件、不同負(fù)載條件及41厘米線纜末端測(cè)試下均測(cè)出高于85%的能效，且在50%和100%負(fù)載條件下功率因數(shù)均高于0.9，滿足并超越80 PLUS銀級(jí)能效規(guī)范要求。這參考設(shè)計(jì)還在寬輸入條件下測(cè)得遠(yuǎn)低于1 W的待機(jī)能耗，符合多種待機(jī)能耗標(biāo)準(zhǔn)的要求。這真實(shí)世界條件下的極高能效不僅確保符合最新的全球能效標(biāo)準(zhǔn)，更解決客戶實(shí)際工作條件下的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，客戶可采用這參考設(shè)計(jì)的配置立即生產(chǎn)臺(tái)式PC，加快上市進(jìn)程。

參考資料：
1、255 W, 80 PLUS® Silver Certified ATX Power Supply GreenPoint® Reference Design，http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND359-D.PDF，安森美半導(dǎo)體
2、《超出數(shù)據(jù)表-真實(shí)世界條件下的PC能效》，Eric Glatfelter、Juan Carlos Pastrana和Laurent Jenck，安森美半導(dǎo)體