安森美半導體80 PLUS銀級效能255W ATX電源參考設計概觀

前言

在人們日常生活工作中電腦消耗的能源非常可觀，故業界十分關注電腦領域的節能議題。關注電腦效能的各標準組織及規範也相繼出現，如美國“能源之星”、80 PLUS、電腦產業拯救氣候行動計劃(CSCI)等。這些效能規範為電腦ATX電源設計人員帶來越來越高的挑戰，使他們面對很大的技術及市場壓力，特別是需要以具高成本效益的方式，將真實世界條件下具有極高效能的ATX電源推向市場。
幸好，像安森美半導體這樣的領先供應商不斷推出更高效能的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檔案包括功能方塊圖和全部示意圖、物料清單(BOM)、電路板佈線圖、設計描述、性能測試結果以及源自第三方的性能驗證。隨著，安森美半導體於2007年推出第二代的80 PLUS認證ATX參考設計，採用新的元件及設計技術，提供更高的效能。而在2009年，安森美半導體更推出第三代的80 PLUS銀級效能(完整負載範圍及交流電壓條件下效能達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在實驗室工作條件下，提供更高的效能，而且它的配置可立即投入生產，讓電腦電源製造商能以高成本效益向市場推出在真實世界條件下效能極高的綠色ATX電源。
規範及要求

這項參考設計遵從ATX12 V 2.2版電源指南及規範，超越了80 PLUS銀級、“能源之星”、CSCI第三階段規範中對多輸出桌上電腦電源的效能目標(見表1)。
此參考設計的其他關鍵參數的目標規範包括：
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，此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
電源架構
整體而言，支援安森美半導體這第三代ATX平臺的半導體元件包括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通道功率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用於實現符合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，而週邊元件極少。此PFC段為第二段的諧振半橋雙電感加單電容(HB LLC)轉換器NCP1396提供恆定的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。這控制器採用專有的高壓技術，包含一顆“充當啟動電路(bootstrapped)”的MOSFET驅動器用於半橋應用，接受達600 V的大電壓。 這控制器提供多種保護特性，如立即關閉或基於計時器時間的關閉、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，也不會增加電路的複雜度。
3)次級端：同步整流
諧振HB LLC轉換器產生的12 V輸出採用專有的同步整流機制來整流，使用NCP4302和2顆外部單N通道MOSFET。
4)次級端：DC-DC轉換段
直流-直流(DC-DC)轉換段採用兩顆相同的 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衝寬調變(PWM)控制器NCP1587。這元件採用極小型表面貼裝8針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振盪器。此門極驅動器其他提高效能的特性包括自適應非交疊電路。NCP1587還整合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。每個控制器都採用同步整流機制，各驅動兩顆NTD4809(30 V、58 A、單N通道功率MOSFET)元件。-+5 V輸出軌使用小的離散轉換器產生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均採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，並產生功率良好(PG)邏輯訊號。
6)待機電源
整合反激轉換器NCP1027提供12 W待機效能率，為另一個隔離的5 V電壓軌供電。這元件整合了固定頻率電流模式控制器和700 V高壓MOSFET。在輕載條件下，這顆IC將在跳週期模式下運作，因而降低開關損耗，並在整個負載範圍內提供高效能。

模擬真實世界條件下的效能測試結果
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這參考設計的效能。實際上，相關認證中並未規定線纜長度，導致某些製造商宣稱的效能水準是直接在電源輸出端(或是採用不切實際的線纜長度)測得的。現實中，可工作的桌上型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吋(41釐米)，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釐米長線纜的末端測得的，與真實世界工作條件相仿。
總結：
以安森美半導體NCP1654、NCP1396、NCP4302、NCP1027和NCP1587等關鍵元件為基礎構建的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釐米線纜末端測試下均測出高於85%的效能，且在50%和100%負載條件下功率因數均高於0.9，滿足並超越80 PLUS銀級效能規範要求。這項參考設計還在寬輸入條件下測得遠低於1 W的待機功耗，符合多種待機功耗標準的要求。此真實世界條件下的極高效能不僅確保符合最新的全球效能標準，更解決客戶實際工作條件下的設計挑戰，客戶可採用這項參考設計的配置立即生產桌上型PC，進而加快上市時程。

供稿：安森美半導體
參考資料：
2、《超出數據表-真實世界條件下的PC效能》，Eric Glatfelter、Juan Carlos Pastrana和Laurent Jenck，安森美半導體