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标题: 高能效的ATX电源解决方案 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 13:42
标题: 高能效的ATX电源解决方案
个人计算机(PC)的应用越来越广泛，它对电能的消耗也越来越大。对于台式计算机而言，通常使用的是ATX电源。典型的ATX电源过去一直采用传统的正激拓扑结构(1个或2个开关)，其能效在70%左右。近年来，随着节能环保压力的增大，提高ATX电源能效的需求越来越迫切。为此，世界上多个政府机构或行业组织纷纷制定相应的计算机电源规范标准，期望通过此举来提高电能的使用效率，尽可能降低电能消耗并避免不必要的电能浪费。计算机电源的拓扑结构及效率发展趋势如图1所示。

例如，由美国政府和产业界共同推进的节能项目“能源之星(Energy Star)”出台了4.0版的能源之星计算机规范。该规范包含对台式计算机电源提出高于80%的能效要求，并自2007年7月20日开始生效。根据该要求，计算机电源在20%轻载、50%典型负载和100%满载条件下的能效均要高于80%，而且其功率因数PF要高于0.9。

此外，业界还对计算机电源提出了更新、更高的节能要求。例如，计算产业气候拯救行动(CSCI)提出了计算机电源在20%、50%和100%负载条件下除了要求在2007年7月达到80%外，还要求在后续的几个时段达到更高要求，如表1所示。

计算机电源功率损耗来源及高能效设计策略

要提高计算机ATX电源的能效，以适应越来越高的节能规范标准要求，很重要的问题就是分析清楚功率损耗的来源，有针对性地采取措施来降低能耗。常见的ATX电源通常包括EMI滤波器、整流器、PFC控制器、功率开关、变压器和开关电源控制器等众多组成器件。图2是ATX开关电源的结构示意图。

假设一个计算机电源的输出功率为300W，电源能效为75%，且其功率总损耗为100W。根据测算，功率因数校正(PFC)段的损耗约为40W，占总损耗的40%；而开关电源段的损耗约为60W，占总损耗的60%。

若要提高电源的能效，就应当分不同的功率段来考虑，要尽量减少功率段的数量，并提升每一段(如PFC段、开关电源段等)的能效。此外，还需要考虑其他因素，如不同拓扑结构的局限、设计的复杂程度、轻载时的能效提升和电源解决方案的总成本等。

采用NCP1606/NCP1654提升PFC段的能效

对于前述300W电源而言，假定设立将能效从75%提高至82%的目标，相应地，功率损耗从100W降低至66W，则可设定PFC段的功率因数从90%提高至93%，相应的功率损耗从40W降到25W，而开关电源段的能效从83%提升至88%，功率损耗则从60W降低到40W。

其中，对于PFC段而言，要实现相应的能效提升目标，首先要选定适合的PFC控制器的工作模式，如连续导电模式(CCM)和临界导电模式(CRM)等。针对CCM和CRM这两种应用，安森美半导体都能提供功率因数高于93%的解决方案，如NCP1606和NCP1654等，超过诸多法规的要求。

对于CCM模式而言，要实现更高的能效，可以采用以下策略：
(1)优化开关选择(轻载时开关损耗占主导，更倾向于建议牺牲导通电阻Rds-on，以获得更快的开关速度)；
(2)采用软恢复升压二极管；
(3)选择合适大小的电感，以降低电感中的铜线损耗(磁芯损耗较小)。

安森美半导体的NCP1654就是一款设计用于CCM模式的PFC控制器。它具有快速瞬态响应、只需极少外围元件、启动电流极低(<7.5μA)、关闭电流极低(<400μA)、工作功耗低等特点，并且具有众多安全保护特性，如浪涌电流检测、过压保护、用于开环检测的欠压检测、软启动、精确的过流限制、真正的过载限制等。它集成了构建紧凑而稳固的PFC段所需的所有特性，非常适合于对性价比、可靠性和高功率因数等都有高要求的系统应用。图3(a)即为NCP1654在300W计算机电源应用中的能效示意图，可见其最高能效接近96%。

而对于CRM或非连续导电模式(DCM)而言，要实现更高的能效，建议的策略如下：
(1)优化电感磁芯，以降低磁芯损耗和高频绕组损耗；
(2)选择更低的Rds-on开关；
(3)无须过于在意升压二极管的选择。

安森美半导体的NCP1606是一款嵌入了CRM机制的高性价比PFC控制器。它的主要特性包括无需输入电压感测、启动电流消耗极低(<40μA)、典型工作电流低(2.1mA)等特点。在安全保护方面，它也提供可编程过压保护、欠压保护、精确及可编程的导通时间限制和过浪限制等特性。图3(b)是NCP1606在240W计算机电源应用中的能效。

开关电源段的能效提升及不同拓扑结构的比较

如上所述，假定300W电源在直流-直流(DC-DC)开关电源段要实现88%的能效。实现这个目标，可以从多个方面着手，如降低初级侧损耗、降低开关损耗、降低次级侧损耗和降低磁芯损耗等。

以降低初级侧损耗为例，可以通过降低导通阻抗和/或降低初级侧峰值电流和均方根(RMS)电流来实现。而要降低开关损耗，则可以考虑采用软开关技术。在降低次级侧损耗方面，则可以降低整流器压降(使用低正向电压Vf的二极管或FET整流器)。至于降低磁芯损耗，则可以通过采用更好的磁芯材料来实现。

在开关电源段，安森美半导体提供一系列的电源IC可用于提升电源能效，如用于初级侧的NCP1562、NCP1395/1396、NCP1027/1028等，以及用于次级侧的NCP1582/1583、NCP5425/5427、NCP4331和NCP4350等。

对于初级侧的DC-DC转换而言，可以采取不同的拓扑结构，如双开关正激、有源箝位正激(ACF)和双电感加单电容(LLC)等。其中，双开关正激是一种传统的拓扑结构，这种结构下的元件容易获得，且MOSFET应力较低。但它也存在其劣势，即开关损耗较高，难以应用同步整流。相比较而言，有源箝位正激拓扑结构(如图4)的开关损耗较低，且能够进行自驱动同步整流。不过，这种结构下初级开关的额定电压较高。

安森美半导体的NCP1562就是一款有源箝位拓扑结构的电压模式控制器，设计用于需要高能效和少元件数量的DC-DC转换器应用。这种控制器集成了两个带有交叠延迟功能的同相输出，以此防止同时导电，并方便软开关。此控制器的主输出设计用于驱动正激转换器初级MOSFET，第二个输出则设计用于驱动有源箝位电路、次级侧的同步整流器或不对称半桥电路。NCP1562系列集成了众多的特性，如最大占空比限制、欠压检测和过流阀值等，从而减少了元件数量，并缩小了系统尺寸。NCP1562包含2个型号，分别是NCP1562A和NCP1562B，前者的电流限制电压阀值(VILIM)为0.2V，而后者则为0.5V。NCP1562的两项特点是软停止和带时间阀值的逐周期电流限制检测器。该器件所采用的技术及其具有的众多特点能够帮助它降低初级侧的功率损耗，并提升开关电源能效。

NCP1395/NCP1396则是双电感加单电容(LLC)半桥谐振转换器。

以NCP1396为例，这种高性能谐振模式控制器提供可靠、坚固电源所需的所有性能。其独特的架构包括一个1.0MHz压控振荡器和保护功能，具有多种反应时间，使转换器更加安全，且不会增加电路的复杂性。这种LLC半桥谐振转换器提供更高的能效。在较小的输入及负载范围内，尤其是在高输出电压的应用中，半桥谐振转换器是更佳的选择。它的开关损耗低，无需输出电感器，属于低元件数拓扑结构。该转换器还具备初级转换电压应力更低、谐振操作使开关损耗最小、采用恒定的占空比工作和简化高端开关驱动等优点。其结构示意图如图5所示。

在初级侧适用的电源IC中，NCP1027/NCP1028用作待机控制器。针对ATX电源进行了优化，集成了高压MOSFET和启动电流源。在低峰值电流条件下，执行跳周期操作，从而帮助降低能耗，提高能效。

而在次级侧，NCP158x属于低成本的降压型PWM控制器，设计用于工作在5V或12V的电源。这种器件能够产生低于0.8V的输出电压，适合当今所需要的低于1V电压的应用。NCP5425则是高度灵活的双降压控制器。这器件能够工作在单个4.6V～13.2V电源，并支持单个两相或两路单相输出。NCP4331是用于高能效二次稳压的同步降压控制器，它将两个MOSFET驱动器封装在一起，用作伴侣芯片。该器件可以使功率耗散保持在最低水准，同时还可减少外围元件数量。NCP4350是电源监控IC，它提供了监视和控制多输出电源所必须的功能。该器件能够监控+3.3Vdc，+5Vdc和+12Vdc(A和B)输出。图6所示即为基于安森美半导体电源IC的305W ATX电源参考设计的结构框图。

提升轻载条件下能效的设计考虑

对于计算机电源而言，除了要考虑在满载、典型负载和待机等条件下的能效，在轻载条件下的能效提升也引起了业界更大的重视。在提升ATX电源轻载能效方面，有许多技巧或思路可以遵循。

例如，可以选用电容较小的场效应管(MOSFET)来降低开关损耗(与低导通阻抗Rds-on之间进行折衷处理)。此外，也可以通过采用软开关工作模式来降低开关损耗。

在降低轻载损耗时，即使是只能够降低0.1W的损耗也不应该忽视；以一个240W电源为例，在20%的轻载条件下，减少0.6W的功率损耗即能产生1%的能效提升。

不仅如此，还可以设法减少一些不必要的器件。例如，可以消除启动电阻和泄漏(预载)电阻，以及消除不必要的缓冲器(snubber)，还可消除不必要的齐纳二极管，因为齐纳二极管需要消耗偏置电流。至于偏置电流，也可使用偏置电流较小的集成电路。所有上述这些技巧的运用，将有助于实现计算机ATX电源在轻载条件下的能效提升。

计算机电源所面临的能效挑战越来越严峻，并且变得更加紧迫。要迎接这些挑战，可以采取系统级的方法来应对，而无须增加太多的成本。例如，可将计算机电源分为不同的功率段予以考虑，分析清楚各个功率段的损耗来源，并通过采用性能更先进的电源IC或器件以及其他一些设计技巧有针对性地降低各个段的功率损耗，进而提升电源的整体能效。而针对计算机的应用现实，提升其轻载条件下的能效也非常重要，需要通过多种途径来降低开关损耗，从而提升轻载能效。作为全球领先的电源解决方案供应商，安森美半导体针对计算机电源不同段或应用提供了相应的解决方案，方便客户开发高能效的计算机电源。

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