不單只是數(shù)據(jù)表 – 真實(shí)世界下的PC能效

計(jì)算機(jī)原設(shè)備制造商(OEM)正面對(duì)商業(yè)、環(huán)保和法規(guī)等多方面的壓力，需要體現(xiàn)他們產(chǎn)品的能效，提供更“綠色” 的臺(tái)式個(gè)人電腦(PC)和服務(wù)器。這使設(shè)計(jì)這些產(chǎn)品的工程師需要設(shè)計(jì)出符合諸如美國(guó)80 PLUS?“能源之星” (ENERGY STAR?)和計(jì)算產(chǎn)業(yè)拯救氣候行動(dòng)計(jì)劃(CSCI)等能效標(biāo)準(zhǔn)的PC電源。有鑒于此，如今越來越多的半導(dǎo)體公司開始積極地開發(fā)芯片組和參考設(shè)計(jì)，乍看之下，這些芯片組和參考設(shè)計(jì)好像幫助設(shè)計(jì)人員達(dá)標(biāo)?？上虑椴⒎强磥砟菢拥暮?jiǎn)單。

問題是并非所有解決方案都勝任，設(shè)計(jì)PC電源的工程師需比較市場(chǎng)上不同的設(shè)計(jì)取舍出最具能效的方案。尤其是某電源設(shè)計(jì)展現(xiàn)出符合某項(xiàng)給定標(biāo)準(zhǔn)，并不自動(dòng)地表示這電源設(shè)計(jì)在PC投入實(shí)際應(yīng)用時(shí)將會(huì)提供設(shè)計(jì)人員所期望的目標(biāo)能效。因此，工程師有必要仔細(xì)查看數(shù)據(jù)表及基本的技術(shù)，并完全了解供應(yīng)商怎樣達(dá)到所宣稱的能效。

數(shù)據(jù)表和標(biāo)準(zhǔn)與真實(shí)世界之間的對(duì)比

為了說明挑戰(zhàn)之所在，讓我們以某個(gè)工程師為例，其任務(wù)是采用符合80 PLUS銀級(jí)性能規(guī)范的ATX電源設(shè)計(jì)臺(tái)式PC。80 PLUS項(xiàng)目由北美地區(qū)的電力公用事業(yè)機(jī)構(gòu)資助，旨在鼓勵(lì)在臺(tái)式PC和服務(wù)器中使用更高能效的電源。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，80 PLUS銀級(jí)規(guī)范要求電腦和服務(wù)器中的多路輸出電源在20%和100%額定輸出功率時(shí)擁有最低85%的能效，而在50%額定輸出功率時(shí)能效最低為88%。

表1：80 PLUS多路輸出臺(tái)式電腦電源能效目標(biāo)

首當(dāng)其沖的問題在于這是一個(gè)以美國(guó)為中心的規(guī)范，獲得相關(guān)的認(rèn)證僅需要各能效額定值在115 Vac額定輸入電壓條件下驗(yàn)證。然而，許多臺(tái)式電腦設(shè)計(jì)是在全世界銷售和使用，因此，必須能夠提供100 Vac(如日本)至240 Vac(大部分歐洲國(guó)家)之間的任何“通用”線路電壓。所以真正致力于提供綠色PC、并希望將這承擔(dān)轉(zhuǎn)化為消費(fèi)者提供商用優(yōu)勢(shì)的PC制造商，必須在完整電壓范圍內(nèi)體現(xiàn)出他們宣稱的能效水平。

這個(gè)輸入電壓條件變化范圍寬的問題引發(fā)出了一系列的挑戰(zhàn)不可小覷，尤其是在輸入段導(dǎo)電損耗的影響問題。當(dāng)處在輸入電壓范圍的低端時(shí)，這些損耗會(huì)嚴(yán)重影響電源總能效，使維持能效額定值以符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)變得困難。

工程師也必須考慮“實(shí)際功率與額定功率之不同”的問題。一個(gè)ATX電源可能額定用于255 W工作，但在真實(shí)世界工作中，僅在處理器計(jì)算高度密集的應(yīng)用時(shí)，才會(huì)幾近滿載工作?，F(xiàn)實(shí)中，大多數(shù)臺(tái)式PC極少在滿載條件下工作，據(jù)估計(jì)，通常超過2/3 的情況是在“輕載”條件下工作。而在輕載條件下，與“常規(guī)(housekeeping)”工作相關(guān)的損耗占總損耗的百分比較大，并對(duì)工作效率有著相應(yīng)的負(fù)面影響。

線纜長(zhǎng)度問題

工程師在考慮制造商的宣稱能效時(shí)應(yīng)該留意的另一項(xiàng)因素，是符合性測(cè)試和認(rèn)證過程期間所使用線纜的長(zhǎng)度。認(rèn)證要求中并沒有規(guī)定線纜長(zhǎng)度，導(dǎo)致某些制造商所宣稱的能效水平是直接在電源輸出端(或是采用不切實(shí)際的短線纜上)測(cè)得的。

現(xiàn)實(shí)工作中的臺(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，是構(gòu)成總損耗的一個(gè)因素。有鑒于此，實(shí)驗(yàn)室仿真真實(shí)世界能效需要采用類似長(zhǎng)度線纜來測(cè)試。

使真實(shí)世界工作相配能效宣稱值

安森美半導(dǎo)體考慮到這些問題，所以開發(fā)出公開的高能效ATX電源參考設(shè)計(jì)，為臺(tái)式PC和服務(wù)器制造商提供在不同工作條件下與80 PLUS銀級(jí)、“能源之星”5.0版和CSCI第三階段能效標(biāo)準(zhǔn)一致的真實(shí)世界能效。同時(shí)，設(shè)計(jì)還得符合IEC61000-3-2與功率因數(shù)校正 (PFC)相關(guān)的要求，并也涵蓋寬廣范圍的真實(shí)世界工作條件。

圖1：安森美半導(dǎo)體255 W ATX電源參考設(shè)計(jì)

圖1顯示安森美半導(dǎo)體相應(yīng)開發(fā)出來的GreenPoint? ATX參考設(shè)計(jì)的電路圖，這參考設(shè)計(jì)提供ATX電源的全部功能模塊，包括功率因數(shù)校正、開關(guān)電源控制及穩(wěn)壓、后穩(wěn)壓和待機(jī)電源要求。

這新設(shè)計(jì)結(jié)合了多種半導(dǎo)體技術(shù)，而每種技術(shù)都經(jīng)過優(yōu)化，提供盡可能最高的性能/能耗比。

在交流電源輸入或初級(jí)端，安森美半導(dǎo)體的NCP1654連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)功率因數(shù)校正控制器減少了加入 PFC功能所需要的元件數(shù)量，并提供強(qiáng)固、高性價(jià)比的前端，用于90至265 Vac的輸入電壓范圍。這PFC段提供恒定的385 V輸出電壓給次級(jí)段的諧振半橋雙電感加單電容(HB LLC)轉(zhuǎn)換器。這拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化能效，并將電磁干擾(EMI)信號(hào)減到最少。這諧振半橋LLC轉(zhuǎn)換器采用NCP1396構(gòu)建。得益于其專有的高壓技術(shù)，這轉(zhuǎn)換器包含用于半橋應(yīng)用的高端和低端驅(qū)動(dòng)器，接受達(dá)600 V的大(bulk)電壓。

在次級(jí)端，這架構(gòu)使用安森美半導(dǎo)體NCP4302控制器構(gòu)建的同步整流機(jī)制以產(chǎn)生12 V輸出。NCP4302特別為簡(jiǎn)化同步整流在開關(guān)電源中的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，提升系統(tǒng)總能效2%至4%。除了同步整流控制，這器件還集成了TL431功能于一個(gè)精確分流穩(wěn)壓器內(nèi)，既減小電路板面積，也并降低系統(tǒng)成本。

這設(shè)計(jì)采用MBR20L45雙肖特基整流器，在工作時(shí)正向壓降極低，藉此進(jìn)一步減少電能損耗。

最后，這設(shè)計(jì)采用兩顆相同的直流-直流(DC-DC)控制器將12 V電壓向下轉(zhuǎn)換至+5 V、 +3.3 V和-12 V。這種DC-DC控制器是NCP1587，采用SOIC-8封裝的低壓同步降壓控制器。每個(gè)DC-DC控制器都采用同步整流機(jī)制驅(qū)動(dòng)2顆 NTD4809N(30 V、58 A單N溝道功率MOSFET)。這MOSFET具有低導(dǎo)通阻抗(RDS(ON))將導(dǎo)電損耗減至最小，具低電容降低驅(qū)動(dòng)器損耗，還具優(yōu)化門電荷將開關(guān)損耗減至最少。

此外，這設(shè)計(jì)中基于高集成度開關(guān)穩(wěn)壓器NCP1027構(gòu)建的緊湊型反激轉(zhuǎn)換器，提供15 W待機(jī)功率給另一個(gè)隔離5 V輸入端。這器件內(nèi)含1顆700 V MOSFET，集成了專有的跳周期技術(shù)，提升輕載條件下的能效。

能效測(cè)試

圖2展示這新255 W ATX電源參考設(shè)計(jì)在100 Vac、115 Vac、230 Vac和240 Vac輸入電壓、多種不同負(fù)載條件下進(jìn)行的能效測(cè)試的結(jié)果。為了仿真真實(shí)世界環(huán)境，所有測(cè)試測(cè)量結(jié)果都是在16英寸(41厘米)線纜的末端獲得的。

圖2：安森美半導(dǎo)體255 W ATX電源參考設(shè)計(jì)在不同負(fù)載和電壓條件下的能效

如圖2所示，這參考設(shè)計(jì)在50%負(fù)載時(shí)，在230 Vac和240 Vac輸入條件時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)90%的最高能效，并在100 Vac和115 Vac電壓下工作時(shí)能效高于88%。此外，所有輸入電壓下20%和100%負(fù)載時(shí)的能效高于85%。這些結(jié)果確保選擇這參考設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)OEM能夠恰如其分地宣稱所使用的ATX電源超越80 PLUS銀級(jí)、“能源之星” 5.0版和CSCI第三階段臺(tái)式PC電源能效標(biāo)準(zhǔn)。某獨(dú)立測(cè)試實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)認(rèn)證了這參考設(shè)計(jì)的80 PLUS銀級(jí)能效性能。

結(jié)論

從商業(yè)及環(huán)保角度來講，當(dāng)今的消費(fèi)者和企業(yè)對(duì)臺(tái)式PC和服務(wù)器的功耗越來越關(guān)注。因此，現(xiàn)代系統(tǒng)不僅必須具備符合相關(guān)能效標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，還必須證明它們能夠在真實(shí)世界、而非實(shí)驗(yàn)室條件下，達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的能效水平。有鑒于此，工程師必需仔細(xì)評(píng)估設(shè)計(jì)的規(guī)范，并完全了解供應(yīng)商如何達(dá)到數(shù)據(jù)表中所宣稱的能效，尤其是不同額定電壓條件下的能效、獲得測(cè)試結(jié)果處離電源的距離等因素。工程師有了全盤了解后，才能夠精確地評(píng)估真實(shí)世界條件下的能效，才能夠評(píng)估在終端產(chǎn)品體現(xiàn)宣稱“綠色”能效的合理性。

安森美半導(dǎo)體精心挑選從控制器到MOSFET等等的半導(dǎo)體元器件，來創(chuàng)建ATX 255 W的公開參考設(shè)計(jì)，其配置可立即投入生產(chǎn)，所提供的真實(shí)世界能效水平超越80 PLUS銀級(jí)、“能源之星” 5.0版和CSCI第三階段臺(tái)式PC電源能效標(biāo)準(zhǔn)所要求的能效水平。