安森美80 PLUS銀級能效255 W ATX電源參考設計概覽

前言
在人們日常生活工作中計算機消耗的電能非?？捎^(guān)，故業(yè)界十分關(guān)注計算機領(lǐng)域的節能降耗。關(guān)注計算機能效的各標準組織及規范也相繼登場(chǎng)，如美國“能源之星” 、80 PLUS、計算產(chǎn)業(yè)拯救氣候行動(dòng)(CSCI)等。這些能效規范為計算機ATX電源設計人員帶來(lái)越來(lái)越高的挑戰，使他們面對很重的技術(shù)及市場(chǎng)壓力，特別是需要高性?xún)r(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，如安森美半導體這樣的領(lǐng)先供應商不斷推出更高能效的ATX電源參考設計。早在2005年，安森美半導體就推出了業(yè)界首款獲得80 PLUS認證的ATX電源公開(kāi)參考設計，這參考設計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(xiàn)圖、設計描述、性能測試結果以及源自第三方的性能驗證。隨著(zhù)，安森美半導體于2007年推出第二代的 80 PLUS認證ATX參考設計，采用新的元器件及設計技術(shù)，提供更高的能效。而在2009年，安森美半導體更推出第三代的80 PLUS銀級能效(完整負載范圍及交流電壓條件下能效達85%)的ATX公開(kāi)參考設計(見(jiàn)圖1)，這參考設計在真實(shí)世界而非僅是實(shí)驗室工作條件下，提供更高的能效，并且它的配置可立即投入生產(chǎn)，讓計算機電源制造商能以高性?xún)r(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：安森美半導體85 PLUS銀級能效ATX電源參考設計功能框圖。

規范及要求
這參考設計遵從ATX12 V 2.2版電源指南及規范，超越了80 PLUS銀級、“能源之星”、CSCI第三階段規范中對多輸出臺式計算機電源的能效目標(見(jiàn)表1)。

這參考設計的其它關(guān)鍵參數的目標規范包括：
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ATX12V 2.2版電源指引，這參考設計包含過(guò)壓保護(OVP)、欠壓保護(UVP)和過(guò)流保護(OCP)等保護特性

表1：臺式計算機多輸出電源能效目標概覽。

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

1)初級端：PFC段
按電流工作特性來(lái)分，PFC拓撲結構有多種，如非連續導電模式(DCM)、臨界導電模式(CrM)和連續導電模式(CCM)。在本參考設計所涉及的功率等級，首選CCM拓撲結構，而NCP1654用于實(shí)現符合IEC61000-3-2標準、固定頻率、峰值電流模式或平均電流模式的PFC升壓轉換器，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)轉換器NCP1396提供恒定的385 V輸出電壓。

2)初級端：HB LLC轉換器
HB LLC轉換器段的核心是NCP1396諧振模式控制器。這控制器采用專(zhuān)有的高壓技術(shù)，包含一顆“充當啟動(dòng)電路(bootstrapped)”的MOSFET驅動(dòng)器用于半橋應用，接受達600 V的大電壓。 這控制器提供多種保護特性，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、光耦合器斷路檢測等，既提供了轉換器設計的安全性，也不會(huì )增加電路的復雜度。

3)次級端：同步整流
諧振HB LLC轉換器產(chǎn)生的12 V輸出采用專(zhuān)有的同步整流機制來(lái)整流，使用NCP4302和2顆外部單N溝道MOSFET。

4)次級端：DC-DC轉換段
直流-直流(DC-DC)轉換段采用兩顆相同的 DC-DC控制器來(lái)將12 V電壓向下轉換至+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(mén)極驅動(dòng)器設計及內部設定的275 kHz振蕩器。這門(mén)極驅動(dòng)器其它提高能效的特性包括自適應非交疊電路。NCP1587還集成了外部補償誤差變壓器及電容可編程軟啟動(dòng)功能。保護特性包括可編程短路保護和欠壓鎖定。每個(gè)控制器都采用同步整流機制，各驅動(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換器產(chǎn)生12 V輸出。

5)次級端：監測及監控段
在次級端，四路直流輸出+5 V、+3.3 V、+12 VA和+12 VB均采用專(zhuān)用監控控制器來(lái)監控，這控制器還提供過(guò)流保護、過(guò)壓保護、欠壓保護等功能，并產(chǎn)生功率良好(PG)邏輯信號。

6)待機電源
集成反激轉換器NCP1027提供12 W待機能效率，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)負載范圍內提供高能效。

模擬真實(shí)世界條件下的能效測試結果
我們在20%、50%和100%這三種負載條件下，100 Vac、115 Vac、230 Vac和240 Vac四種不同交流線(xiàn)路電壓下測試了這參考設計的能效。實(shí)際上，相關(guān)認證中并未規定線(xiàn)纜長(cháng)度，導致某些制造商宣稱(chēng)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(xiàn)纜長(cháng)度)測得的?，F實(shí)中，可工作的臺式PC的外形因數及設計，意指電源和電能提供點(diǎn)之間的線(xiàn)纜長(cháng)度通常測得為約16英寸(41厘米)，因此，是總損耗的構成因素。而安森美半導體的這些測試結果是在41厘米長(cháng)線(xiàn)纜的末端測得的，與真實(shí)世界工作條件相仿。

1)總能效
這參考設計實(shí)現所有負載條件下高于85%的能效，符合80 PLUS銀級能效要求，見(jiàn)表2。

表2：不同負載條件下的總能效測試結果。

2)功率因數
50%及100%負載條件下的功率因數均高于0.9，符合80 PLUS銀級能效要求，見(jiàn)表3。