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。