设计满足80 PLUS能效要求的一体机电源

近年来，一体机(All in one)成为台式电脑市场的一个亮点。对于一体机来说，要求设计新颖、纤薄及紧凑，故嵌入在一体机中的电源要求具有极高的能效。实际上，在绿色节能的大潮下，一体机电源也成为各种能效规范瞄准的目标。如美国环保署80 PLUS银级能效规范(参见表1)已自2008年6月开始生效，更高要求的80 PLUS金级能效规范也即将于2010年6月开始生效。

设计人员如何才能设计符合80 PLUS银级或金级能效要求的一体机电源呢？本文以安森美半导体的216W单输出一体式计算机电源参考设计为例，分析关键电源拓扑结构的选择理据，简述设计要点，并分析性能测试结果。

首先我们要确定基本设计目标规格，即输入电压范围为交流90至265V，输出为单路12V直流输出，并分为2个端子。其中，待机端子持续消耗功率，在关闭模式下消耗电流50mA，休眠模式下电流消耗为100mA，工作模式下最大5A，而电源端子在工作模式下提供功率，待机时关闭。最大总输出功率为216W。

不同电源段拓扑结构选择

由于目标输出功率大于75W，故本应用需要功率因数校正(PFC)。这样，电源可分为2个不同的主要段：有源PFC段和主开关电源段。

第一个电源段(PFC段)接受通用交流输入，并将其转换为385V的恒定直流输出电压，提供给第二个电源段。在PFC段，根据电流工作模式的不同，有不同模式的PFC控制器可供选择，如连续导电模式(CCM)(典型器件NCP1654)、临界导电模式(CrM)(典型器件NCP1606)，或频率钳位临界导电模式(FCCrM)(典型器件如NCP1605)。

这三种工作模式各有其特点。其中，FCCrM综合了CrM和不连续导电模式(DCM)的优点，即DCM限制最大开关频率，CrM降低最大电流应力。基于这三款器件的300W、宽主电压输入范围PFC在100Vrms时的能效测试结果显示，FCCrM是能效最高、电磁干扰(EMI)信号平滑、同时成本合理的方案，故本设计选择FCCrM拓扑结构的NCP1605 PFC控制器。

在第二段(DC/DC转换段)，同样由于注重能效，故需要选择提供高能效的拓扑结构。由于双电感加单电容(LLC)等软开关技术适合提供高能效，同时半桥配置最适合高能效/高功率密度的中低功率应用，故在这主开关电源段我们选择半桥LLC拓扑结构。除了高能效，这种拓扑结构还具有高性价比及容易处理EMI等其它众多优势，如元器件数量有限、应用简单的同步整流等。因此，在DC/DC转换段的初级端，我们选择能用于半桥LLC谐振拓扑结构的NCP1397控制器。

而在DC/DC转换段的次级端，由于采用同步整流(SR)技术能大幅提升中、高负载时能效，故采用简单同步整流技术，相应地选择NCP4303同步整流控制器。

其它设计要点

在PFC段，PFC电感的选择也很重要。本设计选择的是200μH的PFC电感，有利于保持低工作频率，降低电磁干扰。

在主开关电源段，涉及到谐振电感的位置问题。无论是采用外部电感，或是变压器内部泄漏电感，都有其优劣势。为了配合超薄设计，我们选择使用变压器泄漏电感及外部线圈作为谐振电感。

在主电源段的次级端，低输出电流时采用同步整流工作会呈现低能效，故需要根据输出电流信息，在低输出电流时(如在待机状态下)关闭同步整流。故同步整流导通/关闭功能非常重要。此外，次级整流器最大输出电流达18A，还需要为其提供过温保护(OTP)，从而更好地保护开关电源。

待机管理也是一个重要考虑因素。根据一体机电源规范，待机模式下的电源端子必须采用外部开关来关闭。与P沟道MOSFET相比，N沟道MOSFET提供更低的导通阻抗，故我们选择NFET来导通/关闭电源端子。

参考设计性能

该参考设计具有极高的能效(参见表2)，符合80 PLUS银级甚至金级能效规范。此外，参考设计的轻载能耗也极低，如在115Vac至260Vac条件下空载时的电流消耗低于400mW。此外，功率因数测量结果也完全符合80 PLUS银级能效要求。

值得一提的是，该设计还可采取多种措施，如在同步整流段应用寄生电感补偿、使用不同的同步整流MOSFET及门极驱动电压、优化PFC段能效等来进一步提升能效、降低驱动损耗，全面满足80 PLUS金级能效要求。