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高效率台式电脑电源参考设计

Juan Carlos Pastrana?? Sri Jandhyala?? 安森美半导体公司?? 2007年03月13日 ?? 收藏0

  为适应法规要求和市场发展趋势,大部分OEM厂商都开始推出更高效率的台式电脑。通常,节能的焦点是降低待机能耗。台式电脑的低功耗或待机模式占总功耗的25%,而工作时的功耗占了其余75%。目前,业界一致努力提高工作时的效率,包括从美国环保局的能源之星计划(Energy Star)的自愿参与项目到加州能源委员会(CEC)的强制要求。能源之星正推行台式电脑的新计划,预计在2007年7月 20日开始实施,这项计划要求台式电脑在额定输出负载的20%、50%和100%时达到最低80%的效率,并且待机能耗低于2W。虽然能源之星计划并没有强制性,但却相当重要,主要有几个原因,第一,许多国家开始实行类似能源之星的计划,例如欧盟已经对台式电脑采用相同的规范;第二,这些地区的政府也将要求采购产品时必须符合能源之星的规范,由于这将占有整体市场相当大的份额,因此这对OEM厂商的业绩将有重大的影响;最后,部分地区政府(特别是美国)实施了延伸自能源之星计划的强制计划(例如CEC)。除了能源之星规范,还有其它组织或团体推动低功耗的设备与家电,其中80 PLUS计划,透过奖励符合指定要求的产品,鼓励OEM厂商推出更高

效率的产品,这与能源之星在2007年7月20日生效的计划类似。安森美半导体提供完全符合80 PLUS要求并通过参考设计的认证。改进的第二代高效率ATX电源参考设计将在APEC 2007中展出。

  目标规范

  第二代参考设计符合ATX 12 V电源指南和规范,参见表1。电源设计可通过万用输入(90Vac~265Vac, 47 Hz ~ 63 Hz)提供305 W的输出,并根据ATX 12 V规范要求增加OVP、UVP和OCP等功能。

  电源在输入线路范围和满载情况下必须符合IEC1000-3-2要求,虽然能源之星计划和其它法规(例如80 PLUS计划)要求最低80%的效率,这款参考设计的效率目标在额定负载的20%、50%与100%时都必须达到82%,并符合80 PLUS的要求,在100%负载时功率因数达到0.9以上,保持时间至少20ms。最后,实际尺寸则必须能够放进标准ATX的150 mm×140 mm×86 mm封装中。

表1 设计规范

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  系统设计

  整体系统电路参见图1。为符合效率指标和满载时0.9功率因数的指标,转换器需要功率因数校正(PFC)前端电路。PFC前端采用NCP1653 PFC控制器,该器件以连续导电模式(CCM)来降低导通耗损。负电流检测可以节省元件数,原因是相同电阻可以应用在限制启动电流和电感电流监测上,同时负电流检测也可采用更便宜的电流检测电阻。这款控制器的其它功能还包括输出电压过高与过低检测、功率过高限制和软启动。

图1,80 PLUS ATX电源架构


  轻载时,转换器的耗损集中在动态或开关耗损上。由于轻载时的最低效率要求为82%,因此必须有一个能处理要求功率等级的软开关方式。可用的拓扑结构包括半桥式谐振、全桥式谐振和有源想箝位正激等,每个结构都有各自的优缺点。过去,有源箝位正激方法的主要问题是主开关上较高的电压压力和难以独立方式实现专用控制电路,但NCP1562能很好地解决这些问题,因此降压转换器上选用有源箝位正激方法。有源箝位正激法采用有源重置机制而非传统的重置绕线。重置采用一个和主绕线并列的开关与电容串行组合,实现主开关关闭时固定的电压值,主开关和有源箝位开关在软开关情况下工作可以实现轻载时的高效率,同时这一拓扑结构也与同步整流兼容,能够在宽输入电压范围下工作,在高于50%占空比时也不会造成漏极电压问题。

  待机电源在满载时要求提供15 W的输出,同时必须将待机能耗降到最低,因此需要一个能满足上述目标,成本在可接受范围的集成型控制器。参考设计中,5 V待机电源采用NCP1027集成型开关,这个器件内置700 V高电压开关,同时能够以万用输入电源提供15 W的功率输出。这个电源在轻载时以非连续导电模式(DCM)工作,高载时则以CCM模式工作。待机电路提供5 V待机电源和PFC与降压转换器电路的电源需求。该控制器由于采用脉冲工作模式,因而待机能耗很低。待机模式将关闭PFC和降压转换器的电源以降低整体功耗。

  5V, -12V与12V输出由有源箝位正激电路产生。在变压器次级端使用耦合扼流器与堆栈式绕线改善交互稳压效果。-12V交互稳压由于轻载而使用线性稳压器。5 V和12 V输出使用同步整流降低满载时的耗损,而不降低轻载时的效率。有源箝位正激式拓扑结构的另一个优点是提供同步整流而不需要专用控制器,因此可降低系统整体成本。

  3.3 V的产生使用后置稳压器而非传统的磁放大器,这样做会因沿袭同步整流带来更高的效率。在这个设计中采用了NCP4330后置稳压器,由变压器的次级端绕线偏压并产生5 V输出,高电压端开关将变压器输出连接到独立的LC网络,并通过调整占空


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台式电脑? 电源参考设计?

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