安森美半導體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常可觀，故業界十分關注計算機領域的節能降耗。關注計算機能效的各標準組織及規范也相繼登場，如美國“能源之星” 、80 PLUS、計算產業拯救氣候行動(CSCI)等。這些能效規范為計算機ATX電源設計人員帶來越來越高的挑戰，使他們面對很重的技術及市場壓力，特別是需要高性價比地將在真實世界條件下具有極高能效的ATX電源推向市場。

幸好，如安森美半導體這樣的領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界首款獲得80 PLUS認證的ATX電源公開參考設計，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，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，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公開參考設計(見圖1)，這參考設計在真實世界而非僅是實驗室工作條件下，提供更高的能效，并且它的配置可立即投入生產，讓計算機電源制造商能以高性價比向市場推出在真實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(見表1)。

這參考設計的其它關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，這參考設計包含過壓保護(OVP)、欠壓保護(UVP)和過流保護(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
總的來說，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驅動的NTD4890單N溝道功率MOSFET。

1)初級端：PFC段
按電流工作特性來分，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。這控制器采用專有的高壓技術，包含一顆“充當啟動電路(bootstrapped)”的MOSFET驅動器用于半橋應用，接受達600 V的大電壓。 這控制器提供多種保護特性，如立即關閉或基于定時器時間的關閉、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，也不會增加電路的復雜度。

3)次級端：同步整流
諧振HB LLC轉換器產生的12 V輸出采用專有的同步整流機制來整流，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能夠產生低至0.8 V的輸出電壓，提供1 A門極驅動器設計及內部設定的275 kHz振蕩器。這門極驅動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功能。保護特性包括可編程短路保護和欠壓鎖定。每個控制器都采用同步整流機制，各驅動兩顆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均采用專用監控控制器來監控，這控制器還提供過流保護、過壓保護、欠壓保護等功能，并產生功率良好(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，因而降低開關損耗，并在整個負載范圍內提供高能效。

模擬真實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四種不同交流線路電壓下測試了這參考設計的能效。實際上，相關認證中并未規定線纜長度，導致某些制造商宣稱的能效水平是直接在電源輸出端(或是采用不切實際的線纜長度)測得的。現實中，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之間的線纜長度通常測得為約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厘米長線纜的末端測得的，與真實世界工作條件相仿。

1)總能效
這參考設計實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，見表3。

表3：各種負載條件下的功率因數

3)待機能耗
各種交流輸入條件下待機能耗均低于1 W，符合多種規范標準的待機能耗要求。

                                  
表4：待機能耗測試結果

總結：
基于安森美半導體NCP1654、NCP1396、NCP4302、NCP1027和NCP1587等關鍵元器件構建的255 W ATX電源參考設計在極寬交流輸入條件、不同負載條件及41厘米線纜末端測試下均測出高于85%的能效，且在50%和100%負載條件下功率因數均高于0.9，滿足并超越80 PLUS銀級能效規范要求。這參考設計還在寬輸入條件下測得遠低于1 W的待機能耗，符合多種待機能耗標準的要求。這真實世界條件下的極高能效不僅確保符合最新的全球能效標準，更解決客戶實際工作條件下的設計挑戰，客戶可采用這參考設計的配置立即生產臺式PC，加快上市進程。

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，安森美半導體
2、《超出數據表-真實世界條件下的PC能效》，Eric Glatfelter、Juan Carlos Pastrana和Laurent Jenck，安森美半導體。■