80 PLUS的ATX電源公開參考設(shè)計(jì)-技術(shù)方案

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一、前言

在人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ髦杏?jì)算機(jī)消耗的電能非常可觀，故業(yè)界十分關(guān)注計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的節(jié)能降耗。關(guān)注計(jì)算機(jī)能效的各標(biāo)準(zhǔn)組織及規(guī)范也相繼登場(chǎng)，如美國“能源之星”、80PLUS、計(jì)算產(chǎn)業(yè)拯救氣候行動(dòng)（CSCI）等。這些能效規(guī)范為計(jì)算機(jī)ATX電源設(shè)計(jì)人員帶來越來越高的挑戰(zhàn)，使他們面對(duì)很重的技術(shù)及市場(chǎng)壓力，特別是需要高性價(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(dǎo)體這樣的供應(yīng)商不斷推出更高能效的ATX電源參考設(shè)計(jì)。早在2005年，安森美半導(dǎo)體就推出了業(yè)界首款獲得80PLUS的ATX電源公開參考設(shè)計(jì)，這參考設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)描述、性能測(cè)試結(jié)果以及源自第三方的性能驗(yàn)證。隨著，安森美半導(dǎo)體于2007年推出第二代的  80PLUSATX參考設(shè)計(jì)，采用新的元器件及設(shè)計(jì)技術(shù)，提供更高的能效。而在2009年，安森美半導(dǎo)體更推出第三代的80PLUS銀級(jí)能效（完整負(fù)載范圍及交流電壓條件下能效達(dá)85%）的ATX公開參考設(shè)計(jì)（見圖1），這參考設(shè)計(jì)在真實(shí)世界而非僅是實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)電源制造商能以高性價(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(dǎo)體85PLUS銀級(jí)能效ATX電源參考設(shè)計(jì)功能框圖。

ATX電源除了在線路上作了一些改進(jìn)，其中重要的區(qū)別是，關(guān)機(jī)時(shí)ATX電源本身并沒有徹底斷電，而是維持了一個(gè)比較微弱的電流。同時(shí)它利用這一電流增加了一個(gè)電源管理功能，稱為Stand-By。它可以讓操作系統(tǒng)直接對(duì)電源進(jìn)行管理。通過此功能，用戶就可以直接通過操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟關(guān)機(jī)，而且還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的電源管理。如在電腦關(guān)閉時(shí)，可以通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)出信號(hào)到電腦的Modem上，然后監(jiān)控電路就會(huì)發(fā)出一個(gè)ATX電源所特有的+5VSB激活電壓，來打開電源啟動(dòng)電腦，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開機(jī)。

ATX電源主要有兩個(gè)版本，一種是ATX1.01版，另一種是ATX2.01版。2.01版與1.01版的ATX電源除散熱風(fēng)扇的位置不一樣外，它們的激活電流也不同。1.01版只有100mA，2.01版則有500mA～720mA。這意味著2.01版的ATX電源不會(huì)像1.01版那樣“過敏”，經(jīng)常會(huì)受外界電壓波動(dòng)的影響而自行啟動(dòng)計(jì)算機(jī)。

二、規(guī)范及要求

這參考設(shè)計(jì)遵從ATX12V2.2版電源指南及規(guī)范，超越了80PLUS銀級(jí)、“能源之星”、CSCI第三階段規(guī)范中對(duì)多輸出臺(tái)式計(jì)算機(jī)電源的能效目標(biāo)（見表1）。

這參考設(shè)計(jì)的其它關(guān)鍵參數(shù)的目標(biāo)規(guī)范包括：

輸入電壓：通用交流主電源：90Vac至265Vac，頻率47至63Hz

安全特性：根據(jù)ATX12V2.2版電源指引，這參考設(shè)計(jì)包含過壓保護(hù)（OVP）、欠壓保護(hù)（UVP）和過流保護(hù)（OCP）等保護(hù)特性

表1：臺(tái)式計(jì)算機(jī)多輸出電源能效目標(biāo)概覽。

三、電源架構(gòu)

總的來說，支持安森美半導(dǎo)體這第三代ATX平臺(tái)的半導(dǎo)體元器件包括NCP1654PFC控制器、NCP1396HBLLC控制器、NCP4302同步整流控制器、NCP1027待機(jī)控制器、NCP1587帶同步整流的DC-DC控制器，以及由NCP1587驅(qū)動(dòng)的NTD4890單N溝道功率MOSFET。

1）初級(jí)端：PFC段

按電流工作特性來分，PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種，如非連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）、臨界導(dǎo)電模式（CrM）和連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）。在本參考設(shè)計(jì)所涉及的功率等級(jí)，CCM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而NCP1654用于實(shí)現(xiàn)符合IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)、固定頻率、峰值電流模式或平均電流模式的PFC升壓轉(zhuǎn)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（HBLLC）轉(zhuǎn)換器NCP1396提供恒定的385V輸出電壓。

2）初級(jí)端：HBLLC轉(zhuǎn)換器

HBLLC轉(zhuǎn)換器段的是NCP1396諧振模式控制器。這控制器采用專有的高壓技術(shù)，包含一顆“充當(dāng)啟動(dòng)電路（bootstrapped）”的MOSFET驅(qū)動(dòng)器用于半橋應(yīng)用，接受達(dá)600V的大電壓。這控制器提供多種保護(hù)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(hù)、光耦合器斷路檢測(cè)等，既提供了轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的安全性，也不會(huì)增加電路的復(fù)雜度。

3）次級(jí)端：同步整流

諧振HBLLC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的12V輸出采用專有的同步整流機(jī)制來整流，使用NCP4302和2顆外部單N溝道MOSFET。

4）次級(jí)端：DC-DC轉(zhuǎn)換段

直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換段采用兩顆相同的DC-DC控制器來將12V電壓向下轉(zhuǎn)換至+5V、3.3V及-12V。所用的DC-DC控制器是低成本的脈寬調(diào)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0.8V的輸出電壓，提供1A門極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)及內(nèi)部設(shè)定的275kHz振蕩器。這門極驅(qū)動(dòng)器其它提高能效的特性包括自適應(yīng)非交疊電路。NCP1587還集成了外部補(bǔ)償誤差變壓器及電容可編程軟啟動(dòng)功能。保護(hù)特性包括可編程短路保護(hù)和欠壓鎖定。每個(gè)控制器都采用同步整流機(jī)制，各驅(qū)動(dòng)兩顆NTD4809（30V、58A、單N溝道功率MOSFET）元件。-+5V輸出軌使用小的分立轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生12V輸出。

5）次級(jí)端：監(jiān)測(cè)及監(jiān)控段

在次級(jí)端，四路直流輸出+5V、+3.3V、+12VA和+12VB均采用專用監(jiān)控控制器來監(jiān)控，這控制器還提供過流保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等功能，并產(chǎn)生功率良好（PG）邏輯信號(hào)。

6）待機(jī)電源

集成反激轉(zhuǎn)換器NCP1027提供12W待機(jī)能效率，為另一個(gè)隔離的5V電壓軌供電。這器件集成了固定頻率電流模式控制器和700V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(guān)損耗，并在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供高能效。

四、模擬真實(shí)世界條件下的能效測(cè)試結(jié)果

我們?cè)?0%、50%和100%這三種負(fù)載條件下，100Vac、115Vac、230Vac和240Vac四種不同交流線路電壓下測(cè)試了這參考設(shè)計(jì)的能效。實(shí)際上，相關(guān)中并未規(guī)定線纜長度，導(dǎo)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(shí)際的線纜長度）測(cè)得的?，F(xiàn)實(shí)中，可工作的臺(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)之間的線纜長度通常測(cè)得為約16英寸（41厘米），因此，是總損耗的構(gòu)成因素。而安森美半導(dǎo)體的這些測(cè)試結(jié)果是在41厘米長線纜的末端測(cè)得的，與真實(shí)世界工作條件相仿。

1）總能效

這參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)所有負(fù)載條件下高于85%的能效，符合80PLUS銀級(jí)能效要求，見表2。

表2：不同負(fù)載條件下的總能效測(cè)試結(jié)果。

2）功率因數(shù)

50%及100%負(fù)載條件下的功率因數(shù)均高于0.9，符合80PLUS銀級(jí)能效要求，見表3。

表3：各種負(fù)載條件下的功率因數(shù)。

3）待機(jī)能耗

各種交流輸入條件下待機(jī)能耗均低于1W，符合多種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的待機(jī)能耗要求。

表4：待機(jī)能耗測(cè)試結(jié)果。

五、總結(jié)

基于安森美半導(dǎo)體NCP1654、NCP1396、NCP4302、NCP1027和NCP1587等關(guān)鍵元器件構(gòu)建的255WATX電源參考設(shè)計(jì)在極寬交流輸入條件、不同負(fù)載條件及41厘米線纜末端測(cè)試下均測(cè)出高于85%的能效，且在50%和100%負(fù)載條件下功率因數(shù)均高于0.9，滿足并超越80PLUS銀級(jí)能效規(guī)范要求。這參考設(shè)計(jì)還在寬輸入條件下測(cè)得遠(yuǎn)低于1W的待機(jī)能耗，符合多種待機(jī)能