高能效的ATX電源解決方案

個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它對(duì)電能的消耗也越來(lái)越大。對(duì)于臺(tái)式計(jì)算機(jī)而言，通常使用的是ATX電源。典型的ATX電源過(guò)去一直采用傳統(tǒng)的正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(1個(gè)或2個(gè)開關(guān))，其能效在70%左右。近年來(lái)，隨著節(jié)能環(huán)保壓力的增大，提高ATX電源能效的需求越來(lái)越迫切。為此，世界上多個(gè)政府機(jī)構(gòu)或行業(yè)組織紛紛制定相應(yīng)的計(jì)算機(jī)電源規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，期望通過(guò)此舉來(lái)提高電能的使用效率，盡可能降低電能消耗并避免不必要的電能浪費(fèi)。計(jì)算機(jī)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及效率發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示。

例如，由美國(guó)政府和產(chǎn)業(yè)界共同推進(jìn)的節(jié)能項(xiàng)目“能源之星(Energy Star)”出臺(tái)了4.0版的能源之星計(jì)算機(jī)規(guī)范。該規(guī)范包含對(duì)臺(tái)式計(jì)算機(jī)電源提出高于80%的能效要求，并自2007年7月20日開始生效。根據(jù)該要求，計(jì)算機(jī)電源在20%輕載、50%典型負(fù)載和100%滿載條件下的能效均要高于80%，而且其功率因數(shù)PF要高于0.9。

此外，業(yè)界還對(duì)計(jì)算機(jī)電源提出了更新、更高的節(jié)能要求。例如，計(jì)算產(chǎn)業(yè)氣候拯救行動(dòng)(CSCI)提出了計(jì)算機(jī)電源在20%、50%和100%負(fù)載條件下除了要求在2007年7月達(dá)到80%外，還要求在后續(xù)的幾個(gè)時(shí)段達(dá)到更高要求，如表1所示。

計(jì)算機(jī)電源功率損耗來(lái)源及高能效設(shè)計(jì)策略

要提高計(jì)算機(jī)ATX電源的能效，以適應(yīng)越來(lái)越高的節(jié)能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，很重要的問(wèn)題就是分析清楚功率損耗的來(lái)源，有針對(duì)性地采取措施來(lái)降低能耗。常見(jiàn)的ATX電源通常包括EMI濾波器、整流器、PFC控制器、功率開關(guān)、變壓器和開關(guān)電源控制器等眾多組成器件。圖2是ATX開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)示意圖。

假設(shè)一個(gè)計(jì)算機(jī)電源的輸出功率為300W，電源能效為75%，且其功率總損耗為100W。根據(jù)測(cè)算，功率因數(shù)校正(PFC)段的損耗約為40W，占總損耗的40%；而開關(guān)電源段的損耗約為60W，占總損耗的60%。

若要提高電源的能效，就應(yīng)當(dāng)分不同的功率段來(lái)考慮，要盡量減少功率段的數(shù)量，并提升每一段(如PFC段、開關(guān)電源段等)的能效。此外，還需要考慮其他因素，如不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局限、設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度、輕載時(shí)的能效提升和電源解決方案的總成本等。

采用NCP1606/NCP1654提升PFC段的能效

對(duì)于前述300W電源而言，假定設(shè)立將能效從75%提高至82%的目標(biāo)，相應(yīng)地，功率損耗從100W降低至66W，則可設(shè)定PFC段的功率因數(shù)從90%提高至93%，相應(yīng)的功率損耗從40W降到25W，而開關(guān)電源段的能效從83%提升至88%，功率損耗則從60W降低到40W。

其中，對(duì)于PFC段而言，要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的能效提升目標(biāo)，首先要選定適合的PFC控制器的工作模式，如連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)和臨界導(dǎo)電模式(CRM)等。針對(duì)CCM和CRM這兩種應(yīng)用，安森美半導(dǎo)體都能提供功率因數(shù)高于93%的解決方案，如NCP1606和NCP1654等，超過(guò)諸多法規(guī)的要求。

對(duì)于CCM模式而言，要實(shí)現(xiàn)更高的能效，可以采用以下策略：
(1)優(yōu)化開關(guān)選擇(輕載時(shí)開關(guān)損耗占主導(dǎo)，更傾向于建議犧牲導(dǎo)通電阻Rds-on，以獲得更快的開關(guān)速度)；
(2)采用軟恢復(fù)升壓二極管；
(3)選擇合適大小的電感，以降低電感中的銅線損耗(磁芯損耗較小)。

安森美半導(dǎo)體的NCP1654就是一款設(shè)計(jì)用于CCM模式的PFC控制器。它具有快速瞬態(tài)響應(yīng)、只需極少外圍元件、啟動(dòng)電流極低(7.5μA)、關(guān)閉電流極低(400μA)、工作功耗低等特點(diǎn)，并且具有眾多安全保護(hù)特性，如浪涌電流檢測(cè)、過(guò)壓保護(hù)、用于開環(huán)檢測(cè)的欠壓檢測(cè)、軟啟動(dòng)、精確的過(guò)流限制、真正的過(guò)載限制等。它集成了構(gòu)建緊湊而穩(wěn)固的PFC段所需的所有特性，非常適合于對(duì)性價(jià)比、可靠性和高功率因數(shù)等都有高要求的系統(tǒng)應(yīng)用。圖3(a)即為NCP1654在300W計(jì)算機(jī)電源應(yīng)用中的能效示意圖，可見(jiàn)其最高能效接近96%。

而對(duì)于CRM或非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)而言，要實(shí)現(xiàn)更高的能效，建議的策略如下：
(1)優(yōu)化電感磁芯，以降低磁芯損耗和高頻繞組損耗；
(2)選擇更低的Rds-on開關(guān)；
(3)無(wú)須過(guò)于在意升壓二極管的選擇。

安森美半導(dǎo)體的NCP1606是一款嵌入了CRM機(jī)制的高性價(jià)比PFC控制器。它的主要特性包括無(wú)需輸入電壓感測(cè)、啟動(dòng)電流消耗極低(40μA)、典型工作電流低(2.1mA)等特點(diǎn)。在安全保護(hù)方面，它也提供可編程過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、精確及可編程的導(dǎo)通時(shí)間限制和過(guò)浪限制等特性。圖3(b)是NCP1606在240W計(jì)算機(jī)電源應(yīng)用中的能效。

開關(guān)電源段的能效提升及不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較

如上所述，假定300W電源在直流-直流(DC-DC)開關(guān)電源段要實(shí)現(xiàn)88%的能效。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，可以從多個(gè)方面著手，如降低初級(jí)側(cè)損耗、降低開關(guān)損耗、降低次級(jí)側(cè)損耗和降低磁芯損耗等。

以降低初級(jí)側(cè)損耗為例，可以通過(guò)降低導(dǎo)通阻抗和/或降低初級(jí)側(cè)峰值電流和均方根(RMS)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。而要降低開關(guān)損耗，則可以考慮采用軟開關(guān)技術(shù)。在降低次級(jí)側(cè)損耗方面，則可以降低整流器壓降(使用低正向電壓Vf的二極管或FET整流器)。至于降低磁芯損耗，則可以通過(guò)采用更好的磁芯材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在開關(guān)電源段，安森美半導(dǎo)體提供一系列的電源IC可用于提升電源能效，如用于初級(jí)側(cè)的NCP1562、NCP1395/1396、NCP1027/1028等，以及用于次級(jí)側(cè)的NCP1582/1583、NCP5425/5427、NCP4331和NCP4350等。

對(duì)于初級(jí)側(cè)的DC-DC轉(zhuǎn)換而言，可以采取不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如雙開關(guān)正激、有源箝位正激(ACF)和雙電感加單電容(LLC)等。其中，雙開關(guān)正激是一種傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)下的元件容易獲得，且MOSFET應(yīng)力較低。但它也存在其劣勢(shì)，即開關(guān)損耗較高，難以應(yīng)用同步整流。相比較而言，有源箝位正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖4)的開關(guān)損耗較低，且能夠進(jìn)行自驅(qū)動(dòng)同步整流。不過(guò)，這種結(jié)構(gòu)下初級(jí)開關(guān)的額定電壓較高。

安森美半導(dǎo)體的NCP1562就是一款有源箝位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓模式控制器，設(shè)計(jì)用于需要高能效和少元件數(shù)量的DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。這種控制器集成了兩個(gè)帶有交疊延遲功能的同相輸出，以此防止同時(shí)導(dǎo)電，并方便軟開關(guān)。此控制器的主輸出設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)正激轉(zhuǎn)換器初級(jí)MOSFET，第二個(gè)輸出則設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)有源箝位電路、次級(jí)側(cè)的同步整流器或不對(duì)稱半橋電路。NCP1562系列集成了眾多的特性，如最大占空比限制、欠壓檢測(cè)和過(guò)流閥值等，從而減少了元件數(shù)量，并縮小了系統(tǒng)尺寸。NCP1562包含2個(gè)型號(hào)，分別是NCP1562A和NCP1562B，前者的電流限制電壓閥值(VILIM)為0.2V，而后者則為0.5V。NCP1562的兩項(xiàng)特點(diǎn)是軟停止和帶時(shí)間閥值的逐周期電流限制檢測(cè)器。該器件所采用的技術(shù)及其具有的眾多特點(diǎn)能夠幫助它降低初級(jí)側(cè)的功率損耗，并提升開關(guān)電源能效。

NCP1395/NCP1396則是雙電感加單電容(LLC)半橋諧振轉(zhuǎn)換器。

以NCP1396為例，這種高性能諧振模式控制器提供可靠、堅(jiān)固電源所需的所有性能。其獨(dú)特的架構(gòu)包括一個(gè)1.0MHz壓控振蕩器和保護(hù)功能，具有多種反應(yīng)時(shí)間，使轉(zhuǎn)換器更加安全，且不會(huì)增加電路的復(fù)雜性。這種LLC半橋諧振轉(zhuǎn)換器提供更高的能效。在較小的輸入及負(fù)載范圍內(nèi)，尤其是在高輸出電壓的應(yīng)用中，半橋諧振轉(zhuǎn)換器是更佳的選擇。它的開關(guān)損耗低，無(wú)需輸出電感器，屬于低元件數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該轉(zhuǎn)換器還具備初級(jí)轉(zhuǎn)換電壓應(yīng)力更低、諧振操作使開關(guān)損耗最小、采用恒定的占空比工作和簡(jiǎn)化高端開關(guān)驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

在初級(jí)側(cè)適用的電源IC中，NCP1027/NCP1028用作待機(jī)控制器。針對(duì)ATX電源進(jìn)行了優(yōu)化，集成了高壓MOSFET和啟動(dòng)電流源。在低峰值電流條件下，執(zhí)行跳周期操作，從而幫助降低能耗，提高能效。

而在次級(jí)側(cè)，NCP158x屬于低成本的降壓型PWM控制器，設(shè)計(jì)用于工作在5V或12V的電源。這種器件能夠產(chǎn)生低于0.8V的輸出電壓，適合當(dāng)今所需要的低于1V電壓的應(yīng)用。NCP5425則是高度靈活的雙降壓控制器。這器件能夠工作在單個(gè)4.6V～13.2V電源，并支持單個(gè)兩相或兩路單相輸出。NCP4331是用于高能效二次穩(wěn)壓的同步降壓控制器，它將兩個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器封裝在一起，用作伴侶芯片。該器件可以使功率耗散保持在最低水準(zhǔn)，同時(shí)還可減少外圍元件數(shù)量。NCP4350是電源監(jiān)控IC，它提供了監(jiān)視和控制多輸出電源所必須的功能。該器件能夠監(jiān)控+3.3Vdc，+5Vdc和+12Vdc(A和B)輸出。圖6所示即為基于安森美半導(dǎo)體電源IC的305W ATX電源參考設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖。

提升輕載條件下能效的設(shè)計(jì)考慮

對(duì)于計(jì)算機(jī)電源而言，除了要考慮在滿載、典型負(fù)載和待機(jī)等條件下的能效，在輕載條件下的能效提升也引起了業(yè)界更大的重視。在提升ATX電源輕載能效方面，有許多技巧或思路可以遵循。

例如，可以選用電容較小的場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)來(lái)降低開關(guān)損耗(與低導(dǎo)通阻抗Rds-on之間進(jìn)行折衷處理)。此外，也可以通過(guò)采用軟開關(guān)工作模式來(lái)降低開關(guān)損耗。

在降低輕載損耗時(shí)，即使是只能夠降低0.1W的損耗也不應(yīng)該忽視；以一個(gè)240W電源為例，在20%的輕載條件下，減少0.6W的功率損耗即能產(chǎn)生1%的能效提升。

不僅如此，還可以設(shè)法減少一些不必要的器件。例如，可以消除啟動(dòng)電阻和泄漏(預(yù)載)電阻，以及消除不必要的緩沖器(snubber)，還可消除不必要的齊納二極管，因?yàn)辇R納二極管需要消耗偏置電流。至于偏置電流，也可使用偏置電流較小的集成電路。所有上述這些技巧的運(yùn)用，將有助于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)ATX電源在輕載條件下的能效提升。

計(jì)算機(jī)電源所面臨的能效挑戰(zhàn)越來(lái)越嚴(yán)峻，并且變得更加緊迫。要迎接這些挑戰(zhàn)，可以采取系統(tǒng)級(jí)的方法來(lái)應(yīng)對(duì)，而無(wú)須增加太多的成本。例如，可將計(jì)算機(jī)電源分為不同的功率段予以考慮，分析清楚各個(gè)功率段的損耗來(lái)源，并通過(guò)采用性能更先進(jìn)的電源IC或器件以及其他一些設(shè)計(jì)技巧有針對(duì)性地降低各個(gè)段的功率損耗，進(jìn)而提升電源的整體能效。而針對(duì)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)實(shí)，提升其輕載條件下的能效也非常重要，需要通過(guò)多種途徑來(lái)降低開關(guān)損耗，從而提升輕載能效。作為全球領(lǐng)先的電源解決方案供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體針對(duì)計(jì)算機(jī)電源不同段或應(yīng)用提供了相應(yīng)的解決方案，方便客戶開發(fā)高能效的計(jì)算機(jī)電源。