符合80 PLUS银级或金级能效要求的一体机电源参考设计

近年来，新兴的一体机(All-in-one, AIO)电脑受到热捧，成为台式电脑市场发展的一个亮点。台式电脑向来是能效规范机构瞄准的重要目标，一体机这样的单路输出计算机自然也面临着“能源之星”80 PLUS认证和计算产业气候拯救行动(CSCI)等能效规范的要求。2008年6月生效的80 PLUS单路输出计算机电源银级认证要求20%、50%和100%额定输出功率时，能效分别达到85%、89%和85%，后续的金级认证要求则更高，参见表1。安森美半导体的一体机电源参考设计的目标就是符合80 PLUS银级认证要求，并准备进一步提升能效，满足金级认证要求。

　　参考设计目标规范

输入电压范围：90~265Vac;最大输出功率：216W

单路输出：12V，分为两个端子：

待机端子：持续提供功率

● 状态模式下电流消耗为50mA

● 休眠模式下电流消耗为100mA

● 工作模式下最大电流消耗为5A

电源端子：工作模式下提供功率(最大电流消耗为15A)

　　各段拓扑结构选择及设计

明确了参考设计的目标规范，就需要分析各个电源所适合采用的拓扑结构、适合采用什么样的关键元器件及其理据，并探讨一些相关设计要点。完整电路框图见图1。

(1) PFC。首先可以明确的是，本应用的输入功率大于75 W，故需要功率因数校正(PFC)。在PFC段有不同的工作模式可供选择，如连续导电模式(CCM)、临界导电模式(CrM)及频率钳位临界导电模式(FCCrM)等。这几种工作模式中，CCM的主要特征是总是硬开关、电感值最大及均方根电流最小，典型采用CCM工作模式的PFC控制器有如安森美半导体的NCP1654;CrM模式的均方根电流大，开关频率不固定，典型器件如NCP1606;FCCrM均方根电流大，频率受限，同时PFC线圈电感得以降低，典型器件NCP1605。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、同时保持合理成本的方案。

NCP1605具有一些非常有用的特性，如采用FCCrM工作模式，无损耗高压电流源用于启动，软跳周期技术用于低能耗待机模式，支持快速的交流线路/负载瞬态补偿，提供“pfcOK”信号以提示PFC就绪，VCC范围为10至20 V，带输出欠压保护(UVP)和过压保护(OVP)以及输入欠压(BO)检测等保持特性等。总的来看，NCP1605集成了一体机电源所需的全部特性，因此有助降低系统总成本。除了PFC控制IC，PFC电感选择也很重要。本参考设计选择的是200μH的PFC电感，有利于保持低工作频率，降低电磁干扰(EMI)。

(2) 主开关电源。就主开关电源段而言，也有不同的拓扑结构可供选择，如反激、正激、有源钳位正激(ACF)或半桥双电感加单电容(HB LLC)。这几种拓扑结构所适合应用的功率等级由低到高，其中反激拓扑结构适合较低功率的应用，而LLC则最适合于提供高能效。本参考设计在主开关电源段选择半桥LLC拓扑结构。这种拓扑结构支持在相对较宽的输入电压和输出负载范围下工作，而且采用的元器件数量有限，如谐振储能元件能部分或全部集成在主变压器中。此外，这种拓扑结构中，初级MOSFET在所有负载条件下都采用在零电压开关工作，将导通损耗降至极低，提升能效至最高。次级整流器在所有负载条件下都采用零电流开关(ZCS)，没有反向恢复损耗。这种拓扑结构还应用简单的同步整流(SR)，大幅提升中、高负载时的能效;实际上，仅在高于特定功率时使用同步整流来提高能效，需要根据输出电流信息在低输出电流时关闭同步整流。总的来看，半桥LLC是高性价比、高能效、容易处理EMI的方案。

本参考设计在半桥LLC段选择的控制器是NCP1397。该器件支持50 kHz到500 kHz的高频工作，集成高压浮动驱动器，可借导通/关闭控制来关闭输入(跳周期模式)，具有300 μA的低待机电流。NCP1397用于一体机的优势包括：不需要驱动变压器，满足一体机对尺寸的限制;简单应用跳周期模式，适合待机所需;简单应用过流保护，帮助降低成本。故NCP1397是LLC电源段的高性价比及可靠的方案。此外，在LLC谐振储能元件方面，选择的方案是标准变压器加外部谐振电感，相关的参数包括：变压器(初级电感Lm = 430mH;漏电感Llk=55mH;初级与次级匝数比n=17.5;初级与辅助练级匝数比naux=11.6)、谐振线圈(LS=30mH)、谐振电容(CS=2×12nF)。

本参考设计主开关电源次级端选择的同步整流控制器是NCP4303，该器件提供真正的次级零电流检测功能，提供5 A/2.5 A峰值电流驱动能力，电压范围高达28 V，启动及待机电流消耗极低，是适合任何同步整流系统的高性能驱动器。值得注意的是，次级整流器最大输出电流是18 A，在散热风扇或次级整流系统故障时，若出现温度