摘 要：隨著計算機ATX電源能效規范標準越來越高，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，并通過采用性能更先進的電源IC或器件以及其他一些設計技巧，有針對性地降低各個段的功耗，進而提升電源的整體能效。針對計算機的應用現實，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損耗" title="開關損耗">開關損耗，從而提升輕載能效。
關鍵詞：計算機ATX電源；能效；開關電源" title="開關電源">開關電源；功率因數校正
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??? 個人計算機(PC)的應用越來越廣泛，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的正激拓撲結構" title="拓撲結構">拓撲結構(1個或2個開關)，其能效在70%左右。近年來，隨著節能環保壓力的增大，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或行業組織紛紛制定相應的計算機電源規范標準，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。計算機電源的拓撲結構及效率發展趨勢如圖1所示。
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??? 例如，由美國政府和產業界共同推進的節能項目“能源之星(Energy Star)”出臺了4.0版的能源之星計算機規范。該規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。根據該要求，計算機電源在20%輕載、50%典型負載和100%滿載條件下的能效均要高于80%，而且其功率因數PF要高于0.9。
??? 此外，業界還對計算機電源提出了更新、更高的節能要求。例如，計算產業氣候拯救行動(CSCI)提出了計算機電源在20%、50%和100%負載條件下除了要求在2007年7月達到80%外，還要求在后續的幾個時段達到更高要求，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計策略
??? 要提高計算機ATX電源的能效，以適應越來越高的節能規范標準要求，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、變壓器和開關電源控制器等眾多組成器件。圖2是ATX開關電源的結構示意圖。
??? 假設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。根據測算，功率因數校正(PFC)段的損耗約為40W，占總損耗的40%；而開關電源段的損耗約為60W，占總損耗的60%。
??? 若要提高電源的能效，就應當分不同的功率段來考慮，要盡量減少功率段的數量，并提升每一段(如PFC段、開關電源段等)的能效。此外，還需要考慮其他因素，如不同拓撲結構的局限、設計的復雜程度、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，假定設立將能效從75%提高至82%的目標，相應地，功率損耗從100W降低至66W，則可設定PFC段的功率因數從90%提高至93%，相應的功率損耗從40W降到25W，而開關電源段的能效從83%提升至88%，功率損耗則從60W降低到40W。
??? 其中，對于PFC段而言，要實現相應的能效提升目標，首先要選定適合的PFC控制器的工作模式，如連續導電模式(CCM)和臨界導電模式(CRM)等。針對CCM和CRM這兩種應用，安森美半導體" title="安森美半導體">安森美半導體都能提供功率因數高于93%的解決方案，如NCP1606和NCP1654等，超過諸多法規的要求。
??? 對于CCM模式而言，要實現更高的能效，可以采用以下策略：
??? (1)優化開關選擇(輕載時開關損耗占主導，更傾向于建議犧牲導通電阻Rds-on，以獲得更快的開關速度)；
??? (2)采用軟恢復升壓二極管；
??? (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)。
??? 安森美半導體的NCP1654就是一款設計用于CCM模式的PFC控制器。它具有快速瞬態響應、只需極少外圍元件、啟動電流極低(<7.5μA)、關閉電流極低(<400μA)、工作功耗低等特點，并且具有眾多安全保護特性，如浪涌電流檢測、過壓保護、用于開環檢測的欠壓檢測、軟啟動、精確的過流限制、真正的過載限制等。它集成了構建緊湊而穩固的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等都有高要求的系統應用。圖3(a)即為NCP1654在300W計算機電源應用中的能效示意圖，可見其最高能效接近96%。
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??? 而對于CRM或非連續導電模式(DCM)而言，要實現更高的能效，建議的策略如下：
??? (1)優化電感磁芯，以降低磁芯損耗和高頻繞組損耗；
??? (2)選擇更低的Rds-on開關；
??? (3)無須過于在意升壓二極管的選擇。
??? 安森美半導體的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。在安全保護方面，它也提供可編程過壓保護、欠壓保護、精確及可編程的導通時間限制和過浪限制等特性。圖3(b)是NCP1606在240W計算機電源應用中的能效。
開關電源段的能效提升及不同拓撲結構的比較
??? 如上所述，假定300W電源在直流-直流(DC-DC)開關電源段要實現88%的能效。實現這個目標，可以從多個方面著手，如降低初級側損耗、降低開關損耗、降低次級側損耗和降低磁芯損耗等。
??? 以降低初級側損耗為例，可以通過降低導通阻抗和/或降低初級側峰值電流和均方根(RMS)電流來實現。而要降低開關損耗，則可以考慮采用軟開關技術。在降低次級側損耗方面，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。
??? 在開關電源段，安森美半導體提供一系列的電源IC可用于提升電源能效，如用于初級側的NCP1562、NCP1395/1396、NCP1027/1028等，以及用于次級側的NCP1582/1583、NCP5425/5427、NCP4331和NCP4350等。
??? 對于初級側的DC-DC轉換而言，可以采取不同的拓撲結構，如雙開關正激、有源箝位正激(ACF)和雙電感加單電容(LLC)等。其中，雙開關正激是一種傳統的拓撲結構，這種結構下的元件容易獲得，且MOSFET應力較低。但它也存在其劣勢，即開關損耗較高，難以應用同步整流。相比較而言，有源箝位正激拓撲結構(如圖4)的開關損耗較低，且能夠進行自驅動同步整流。不過，這種結構下初級開關的額定電壓較高。
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??? 安森美半導體的NCP1562就是一款有源箝位拓撲結構的電壓模式控制器，設計用于需要高能效和少元件數量的DC-DC轉換器應用。這種控制器集成了兩個帶有交疊延遲功能的同相輸出，以此防止同時導電，并方便軟開關。此控制器的主輸出設計用于驅動正激轉換器初級MOSFET，第二個輸出則設計用于驅動有源箝位電路、次級側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，從而減少了元件數量，并縮小了系統尺寸。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及其具有的眾多特點能夠幫助它降低初級側的功率損耗，并提升開關電源能效。
??? NCP1395/NCP1396則是雙電感加單電容(LLC)半橋諧振轉換器。
??? 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。其獨特的架構包括一個1.0MHz壓控振蕩器和保護功能，具有多種反應時間，使轉換器更加安全，且不會增加電路的復雜性。這種LLC半橋諧振轉換器提供更高的能效。在較小的輸入及負載范圍內，尤其是在高輸出電壓的應用中，半橋諧振轉換器是更佳的選擇。它的開關損耗低，無需輸出電感器，屬于低元件數拓撲結構。該轉換器還具備初級轉換電壓應力更低、諧振操作使開關損耗最小、采用恒定的占空比工作和簡化高端開關驅動等優點。其結構示意圖如圖5所示。
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??? 在初級側適用的電源IC中，NCP1027/NCP1028用作待機控制器。針對ATX電源進行了優化，集成了高壓MOSFET和啟動電流源。在低峰值電流條件下，執行跳周期操作，從而幫助降低能耗，提高能效。
??? 而在次級側，NCP158x屬于低成本的降壓型PWM控制器，設計用于工作在5V或12V的電源。這種器件能夠產生低于0.8V的輸出電壓，適合當今所需要的低于1V電壓的應用。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壓的同步降壓控制器，它將兩個MOSFET驅動器封裝在一起，用作伴侶芯片。該器件可以使功率耗散保持在最低水準，同時還可減少外圍元件數量。NCP4350是電源監控IC，它提供了監視和控制多輸出電源所必須的功能。該器件能夠監控+3.3Vdc，+5Vdc和+12Vdc(A和B)輸出。圖6所示即為基于安森美半導體電源IC的305W ATX電源參考設計的結構框圖。
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提升輕載條件下能效的設計考慮
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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管(MOSFET)來降低開關損耗(與低導通阻抗Rds-on之間進行折衷處理)。此外，也可以通過采用軟開關工作模式來降低開關損耗。
??? 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的功率損耗即能產生1%的能效提升。
??? 不僅如此，還可以設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越來越嚴峻，并且變得更加緊迫。要迎接這些挑戰，可以采取系統級的方法來應對，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的電源IC或器件以及其他一些設計技巧有針對性地降低各個段的功率損耗，進而提升電源的整體能效。而針對計算機的應用現實，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損耗，從而提升輕載能效。作為全球領先的電源解決方案供應商，安森美半導體針對計算機電源不同段或應用提供了相應的解決方案，方便客戶開發高能效的計算機電源。