計算機原設備制造商(OEM)正面對商業、環保和法規等多方面的壓力，需要體現他們產品的能效，提供更“綠色” 的臺式個人電腦(PC)和服務器。這使設計這些產品的工程師需要設計出符合諸如美國80 PLUS?、“能源之星” (ENERGY STAR?)和計算產業拯救氣候行動計劃(CSCI)等能效標準的PC電源。有鑒于此，如今越來越多的半導體公司開始積極地開發芯片組和參考設計，乍看之下，這些芯片組和參考設計好像幫助設計人員達標。可惜事情并非看來那樣的簡單。
問題是并非所有解決方案都勝任，設計PC電源的工程師需比較市場上不同的設計取舍出最具能效的方案。尤其是某電源設計展現出符合某項給定標準，并不自動地表示這電源設計在PC投入實際應用時將會提供設計人員所期望的目標能效。因此，工程師有必要仔細查看數據表及基本的技術，并完全了解供應商怎樣達到所宣稱的能效。
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數據表和標準與真實世界之間的對比
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為了說明挑戰之所在，讓我們以某個工程師為例，其任務是采用符合80 PLUS銀級性能規范的ATX電源設計臺式PC。80 PLUS項目由北美地區的電力公用事業機構資助，旨在鼓勵在臺式PC和服務器中使用更高能效的電源。為了達到這個目標，80 PLUS銀級規范要求電腦和服務器中的多路輸出電源在20%和100%額定輸出功率時擁有最低85%的能效，而在50%額定輸出功率時能效最低為88%。
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表1：80 PLUS多路輸出臺式電腦電源能效目標
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首當其沖的問題在于這是一個以美國為中心的規范，獲得相關的認證僅需要各能效額定值在115 Vac額定輸入電壓條件下驗證。然而，許多臺式電腦設計是在全世界銷售和使用，因此，必須能夠提供100 Vac(如日本)至240 Vac(大部分歐洲國家)之間的任何“通用”線路電壓。所以真正致力于提供綠色PC、并希望將這承擔轉化為消費者提供商用優勢的PC制造商，必須在完整電壓范圍內體現出他們宣稱的能效水平。
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這個輸入電壓條件變化范圍寬的問題引發出了一系列的挑戰不可小覷，尤其是在輸入段導電損耗的影響問題。當處在輸入電壓范圍的低端時，這些損耗會嚴重影響電源總能效，使維持能效額定值以符合相關標準變得困難。
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工程師也必須考慮“實際功率與額定功率之不同”的問題。一個ATX電源可能額定用于255 W工作，但在真實世界工作中，僅在處理器計算高度密集的應用時，才會幾近滿載工作。現實中，大多數臺式PC極少在滿載條件下工作，據估計，通常超過2/3的情況是在“輕載”條件下工作。而在輕載條件下，與“常規(housekeeping)”工作相關的損耗占總損耗的百分比較大，并對工作效率有著相應的負面影響。
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線纜長度問題
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工程師在考慮制造商的宣稱能效時應該留意的另一項因素，是符合性測試和認證過程期間所使用線纜的長度。認證要求中并沒有規定線纜長度，導致某些制造商所宣稱的能效水平是直接在電源輸出端(或是采用不切實際的短線纜上)測得的。
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現實工作中的臺式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英寸(41厘米)，因此，是構成總損耗的一個因素。有鑒于此，實驗室仿真真實世界能效需要采用類似長度線纜來測試。
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使真實世界工作相配能效宣稱值
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安森美半導體考慮到這些問題，所以開發出公開的高能效ATX電源參考設計，為臺式PC和服務器制造商提供在不同工作條件下與80 PLUS銀級、“能源之星”5.0版和CSCI第三階段能效標準一致的真實世界能效。同時，設計還得符合IEC61000-3-2與功率因數校正(PFC)相關的要求，并也涵蓋寬廣范圍的真實世界工作條件。
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圖1：安森美半導體255 W ATX電源參考設計
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圖1顯示安森美半導體相應開發出來的GreenPoint? ATX參考設計的電路圖，這參考設計提供ATX電源的全部功能模塊，包括功率因數校正、開關電源控制及穩壓、后穩壓和待機電源要求。
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這新設計結合了多種半導體技術，而每種技術都經過優化，提供盡可能最高的性能/能耗比。
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在交流電源輸入或初級端，安森美半導體的NCP1654連續導電模式(CCM)功率因數校正控制器減少了加入PFC功能所需要的元件數量，并提供強固、高性價比的前端，用于90至265 Vac的輸入電壓范圍。這PFC段提供恒定的385 V輸出電壓給次級段的諧振半橋雙電感加單電容(HB LLC)轉換器。這拓撲結構優化能效，并將電磁干擾(EMI)信號減到最少。這諧振半橋LLC轉換器采用NCP1396構建。得益于其專有的高壓技術，這轉換器包含用于半橋應用的高端和低端驅動器，接受達600 V的大(bulk)電壓。
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在次級端，這架構使用安森美半導體NCP4302控制器構建的同步整流機制以產生12 V輸出。NCP4302特別為簡化同步整流在開關電源中的應用而設計，提升系統總能效2%至4%。除了同步整流控制，這器件還集成了TL431功能于一個精確分流穩壓器內，既減小電路板面積，也并降低系統成本。
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這設計采用MBR20L45雙肖特基整流器，在工作時正向壓降極低，藉此進一步減少電能損耗。
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最后，這設計采用兩顆相同的直流-直流(DC-DC)控制器將12 V電壓向下轉換至+5 V、 +3.3 V和-12 V。這種DC-DC控制器是NCP1587，采用SOIC-8封裝的低壓同步降壓控制器。每個DC-DC控制器都采用同步整流機制驅動2顆NTD4809N(30 V、58 A單N溝道功率MOSFET)。這MOSFET具有低導通阻抗(RDS(ON))將導電損耗減至最小，具低電容降低驅動器損耗，還具優化門電荷將開關損耗減至最少。
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此外，這設計中基于高集成度開關穩壓器NCP1027構建的緊湊型反激轉換器，提供15 W待機功率給另一個隔離5 V輸入端。這器件內含1顆700 V MOSFET，集成了專有的跳周期技術，提升輕載條件下的能效。
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能效測試
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圖2展示這新255 W ATX電源參考設計在100 Vac、115 Vac、230 Vac和240 Vac輸入電壓、多種不同負載條件下進行的能效測試的結果。為了仿真真實世界環境，所有測試測量結果都是在16英寸(41厘米)線纜的末端獲得的。
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圖2：安森美半導體255 W ATX電源參考設計在不同負載和電壓條件下的能效
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如圖2所示，這參考設計在50%負載時，在230 Vac和240 Vac輸入條件時能夠實現90%的最高能效，并在100 Vac和115 Vac電壓下工作時能效高于88%。此外，所有輸入電壓下20%和100%負載時的能效高于85%。這些結果確保選擇這參考設計的計算機OEM能夠恰如其分地宣稱所使用的ATX電源超越80 PLUS銀級、“能源之星” 5.0版和CSCI第三階段臺式PC電源能效標準。某獨立測試實驗室已經認證了這參考設計的80 PLUS銀級能效性能。
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結論
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從商業及環保角度來講，當今的消費者和企業對臺式PC和服務器的功耗越來越關注。因此，現代系統不僅必須具備符合相關能效標準的認證，還必須證明它們能夠在真實世界、而非實驗室條件下，達到這些標準所規定的能效水平。有鑒于此，工程師必需仔細評估設計的規范，并完全了解供應商如何達到數據表中所宣稱的能效，尤其是不同額定電壓條件下的能效、獲得測試結果處離電源的距離等因素。工程師有了全盤了解后，才能夠精確地評估真實世界條件下的能效，才能夠評估在終端產品體現宣稱“綠色”能效的合理性。
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安森美半導體精心挑選從控制器到MOSFET等等的半導體元器件，來創建ATX 255 W的公開參考設計，其配置可立即投入生產，所提供的真實世界能效水平超越80 PLUS銀級、“能源之星” 5.0版和CSCI第三階段臺式PC電源能效標準所要求的能效水平。
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