摘 要：隨著計算機ATX電源能效規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)越來越高，需要不斷提升電源能效,。本文通過分析ATX電源不同電源段的功耗來說明電源的能效挑戰(zhàn),，并通過采用性能更先進(jìn)的電源IC或器件以及其他一些設(shè)計技巧，有針對性地降低各個段的功耗,，進(jìn)而提升電源的整體能效,。針對計算機的應(yīng)用現(xiàn)實，提升其輕載條件下的能效也非常重要,，需要通過多種途徑來降低開關(guān)損耗" title="開關(guān)損耗">開關(guān)損耗,，從而提升輕載能效。
關(guān)鍵詞：計算機ATX電源,；能效,；開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">開關(guān)電源；功率因數(shù)校正
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??? 個人計算機(PC)的應(yīng)用越來越廣泛,，它對電能的消耗也越來越大,。對于臺式計算機而言，通常使用的是ATX電源,。典型的ATX電源過去一直采用傳統(tǒng)的正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)" title="拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)">拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(1個或2個開關(guān)),，其能效在70%左右。近年來,，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越迫切,。為此,，世界上多個政府機構(gòu)或行業(yè)組織紛紛制定相應(yīng)的計算機電源規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，期望通過此舉來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,。計算機電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及效率發(fā)展趨勢如圖1所示。
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??? 例如,，由美國政府和產(chǎn)業(yè)界共同推進(jìn)的節(jié)能項目“能源之星(Energy Star)”出臺了4.0版的能源之星計算機規(guī)范,。該規(guī)范包含對臺式計算機電源提出高于80%的能效要求，并自2007年7月20日開始生效,。根據(jù)該要求,，計算機電源在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)界還對計算機電源提出了更新、更高的節(jié)能要求,。例如,，計算產(chǎn)業(yè)氣候拯救行動(CSCI)提出了計算機電源在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)的幾個時段達(dá)到更高要求,，如表1所示。
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計算機電源功率損耗" title="功率損耗">功率損耗來源及高能效設(shè)計策略
??? 要提高計算機ATX電源的能效,，以適應(yīng)越來越高的節(jié)能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求,，很重要的問題就是分析清楚功率損耗的來源，有針對性地采取措施來降低能耗,。常見的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)一個計算機電源的輸出功率為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)計的復(fù)雜程度、輕載時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，對于PFC段而言,，要實現(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CCM和CRM這兩種應(yīng)用,，安森美半導(dǎo)體" title="安森美半導(dǎo)體">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,，超過諸多法規(guī)的要求,。
??? 對于CCM模式而言，要實現(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,、啟動電流極低(<7.5μA),、關(guān)閉電流極低(<400μA)、工作功耗低等特點,，并且具有眾多安全保護(hù)特性,，如浪涌電流檢測、過壓保護(hù),、用于開環(huán)檢測的欠壓檢測,、軟啟動,、精確的過流限制,、真正的過載限制等。它集成了構(gòu)建緊湊而穩(wěn)固的PFC段所需的所有特性,，非常適合于對性價比,、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計算機電源應(yīng)用中的能效示意圖,，可見其最高能效接近96%,。
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??? 而對于CRM或非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)而言,，要實現(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)無須過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機制的高性價比PFC控制器,。它的主要特性包括無需輸入電壓感測、啟動電流消耗極低(<40μA),、典型工作電流低(2.1mA)等特點,。在安全保護(hù)方面，它也提供可編程過壓保護(hù),、欠壓保護(hù),、精確及可編程的導(dǎo)通時間限制和過浪限制等特性。圖3(b)是NCP1606在240W計算機電源應(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)電源段要實現(xiàn)88%的能效。實現(xiàn)這個目標(biāo),，可以從多個方面著手,，如降低初級側(cè)損耗、降低開關(guān)損耗,、降低次級側(cè)損耗和降低磁芯損耗等,。
??? 以降低初級側(cè)損耗為例，可以通過降低導(dǎo)通阻抗和/或降低初級側(cè)峰值電流和均方根(RMS)電流來實現(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，則可以通過采用更好的磁芯材料來實現(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，如用于初級側(cè)的NCP1562,、NCP1395/1396,、NCP1027/1028等，以及用于次級側(cè)的NCP1582/1583,、NCP5425/5427,、NCP4331和NCP4350等。
??? 對于初級側(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,，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)動同步整流,。不過,，這種結(jié)構(gòu)下初級開關(guān)的額定電壓較高。
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??? 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帶有交疊延遲功能的同相輸出，以此防止同時導(dǎo)電,，并方便軟開關(guān),。此控制器的主輸出設(shè)計用于驅(qū)動正激轉(zhuǎn)換器初級MOSFET，第二個輸出則設(shè)計用于驅(qū)動有源箝位電路,、次級側(cè)的同步整流器或不對稱半橋電路,。NCP1562系列集成了眾多的特性，如最大占空比限制,、欠壓檢測和過流閥值等,，從而減少了元件數(shù)量，并縮小了系統(tǒng)尺寸,。NCP1562包含2個型號,，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的兩項特點是軟停止和帶時間閥值的逐周期電流限制檢測器。該器件所采用的技術(shù)及其具有的眾多特點能夠幫助它降低初級側(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,、堅固電源所需的所有性能,。其獨特的架構(gòu)包括一個1.0MHz壓控振蕩器和保護(hù)功能,，具有多種反應(yīng)時間,，使轉(zhuǎn)換器更加安全，且不會增加電路的復(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化高端開關(guān)驅(qū)動等優(yōu)點,。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。
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??? 在初級側(cè)適用的電源IC中,，NCP1027/NCP1028用作待機控制器,。針對ATX電源進(jìn)行了優(yōu)化，集成了高壓MOSFET和啟動電流源,。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,。
??? 而在次級側(cè)，NCP158x屬于低成本的降壓型PWM控制器,，設(shè)計用于工作在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4.6V～13.2V電源，并支持單個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MOSFET驅(qū)動器封裝在一起，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)計的結(jié)構(gòu)框圖,。
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提升輕載條件下能效的設(shè)計考慮
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??? 對于計算機電源而言,，除了要考慮在滿載、典型負(fù)載和待機等條件下的能效,，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效應(yīng)管(MOSFET)來降低開關(guān)損耗(與低導(dǎo)通阻抗Rds-on之間進(jìn)行折衷處理)。此外,，也可以通過采用軟開關(guān)工作模式來降低開關(guān)損耗,。
??? 在降低輕載損耗時，即使是只能夠降低0.1W的損耗也不應(yīng)該忽視,；以一個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,，因為齊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用,，將有助于實現(xiàn)計算機ATX電源在輕載條件下的能效提升。
??? 計算機電源所面臨的能效挑戰(zhàn)越來越嚴(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)級的方法來應(yīng)對,，而無須增加太多的成本,。例如，可將計算機電源分為不同的功率段予以考慮,，分析清楚各個功率段的損耗來源,，并通過采用性能更先進(jìn)的電源IC或器件以及其他一些設(shè)計技巧有針對性地降低各個段的功率損耗，進(jìn)而提升電源的整體能效,。而針對計算機的應(yīng)用現(xiàn)實,，提升其輕載條件下的能效也非常重要,，需要通過多種途徑來降低開關(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)體針對計算機電源不同段或應(yīng)用提供了相應(yīng)的解決方案，方便客戶開發(fā)高能效的計算機電源,。