近年來，一體機(All in one)成為臺式電腦市場的一個亮點。對于一體機來說，要求設(shè)計新穎、纖薄及緊湊，故嵌入在一體機中的電源要求具有極高的能效。實際上，在綠色節(jié)能的大潮下，一體機電源也成為各種能效規(guī)范瞄準的目標。如美國環(huán)保署80 PLUS銀級能效規(guī)范(參見表1)已自2008年6月開始生效，更高要求的80 PLUS金級能效規(guī)范也即將于2010年6月開始生效。
設(shè)計人員如何才能設(shè)計符合80 PLUS銀級或金級能效要求的一體機電源呢？本文以安森美半導體的216W單輸出一體式計算機電源參考設(shè)計為例，分析關(guān)鍵電源拓撲結(jié)構(gòu)的選擇理據(jù)，簡述設(shè)計要點，并分析性能測試結(jié)果。
首先我們要確定基本設(shè)計目標規(guī)格，即輸入電壓范圍為交流90至265V，輸出為單路12V直流輸出，并分為2個端子。其中，待機端子持續(xù)消耗功率，在關(guān)閉模式下消耗電流50mA，休眠模式下電流消耗為100mA，工作模式下最大5A，而電源端子在工作模式下提供功率，待機時關(guān)閉。最大總輸出功率為216W。
不同電源段拓撲結(jié)構(gòu)選擇
由于目標輸出功率大于75W，故本應用需要功率因數(shù)校正(PFC)。這樣，電源可分為2個不同的主要段：有源PFC段和主開關(guān)電源段。
第一個電源段(PFC段)接受通用交流輸入，并將其轉(zhuǎn)換為385V的恒定直流輸出電壓，提供給第二個電源段。在PFC段，根據(jù)電流工作模式的不同，有不同模式的PFC控制器可供選擇，如連續(xù)導電模式(CCM)(典型器件NCP1654)、臨界導電模式(CrM)(典型器件NCP1606)，或頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM)(典型器件如NCP1605)。
這三種工作模式各有其特點。其中，F(xiàn)CCrM綜合了CrM和不連續(xù)導電模式(DCM)的優(yōu)點，即DCM限制最大開關(guān)頻率，CrM降低最大電流應力。基于這三款器件的300W、寬主電壓輸入范圍PFC在100Vrms時的能效測試結(jié)果顯示，F(xiàn)CCrM是能效最高、電磁干擾(EMI)信號平滑、同時成本合理的方案，故本設(shè)計選擇FCCrM拓撲結(jié)構(gòu)的NCP1605 PFC控制器。
在第二段(DC/DC轉(zhuǎn)換段)，同樣由于注重能效，故需要選擇提供高能效的拓撲結(jié)構(gòu)。由于雙電感加單電容(LLC)等軟開關(guān)技術(shù)適合提供高能效，同時半橋配置最適合高能效/高功率密度的中低功率應用，故在這主開關(guān)電源段我們選擇半橋LLC拓撲結(jié)構(gòu)。除了高能效，這種拓撲結(jié)構(gòu)還具有高性價比及容易處理EMI等其它眾多優(yōu)勢，如元器件數(shù)量有限、應用簡單的同步整流等。因此，在DC/DC轉(zhuǎn)換段的初級端，我們選擇能用于半橋LLC諧振拓撲結(jié)構(gòu)的NCP1397控制器。
而在DC/DC轉(zhuǎn)換段的次級端，由于采用同步整流(SR)技術(shù)能大幅提升中、高負載時能效，故采用簡單同步整流技術(shù)，相應地選擇NCP4303同步整流控制器。
其它設(shè)計要點
在PFC段，PFC電感的選擇也很重要。本設(shè)計選擇的是200μH的PFC電感，有利于保持低工作頻率，降低電磁干擾。
在主開關(guān)電源段，涉及到諧振電感的位置問題。無論是采用外部電感，或是變壓器內(nèi)部泄漏電感，都有其優(yōu)劣勢。為了配合超薄設(shè)計，我們選擇使用變壓器泄漏電感及外部線圈作為諧振電感。
在主電源段的次級端，低輸出電流時采用同步整流工作會呈現(xiàn)低能效，故需要根據(jù)輸出電流信息，在低輸出電流時(如在待機狀態(tài)下)關(guān)閉同步整流。故同步整流導通/關(guān)閉功能非常重要。此外，次級整流器最大輸出電流達18A，還需要為其提供過溫保護(OTP)，從而更好地保護開關(guān)電源。
待機管理也是一個重要考慮因素。根據(jù)一體機電源規(guī)范，待機模式下的電源端子必須采用外部開關(guān)來關(guān)閉。與P溝道MOSFET相比，N溝道MOSFET提供更低的導通阻抗，故我們選擇NFET來導通/關(guān)閉電源端子。
參考設(shè)計性能
該參考設(shè)計具有極高的能效(參見表2)，符合80 PLUS銀級甚至金級能效規(guī)范。此外，參考設(shè)計的輕載能耗也極低，如在115Vac至260Vac條件下空載時的電流消耗低于400mW。此外，功率因數(shù)測量結(jié)果也完全符合80 PLUS銀級能效要求。
值得一提的是，該設(shè)計還可采取多種措施，如在同步整流段應用寄生電感補償、使用不同的同步整流MOSFET及門極驅(qū)動電壓、優(yōu)化PFC段能效等來進一步提升能效、降低驅(qū)動損耗，全面滿足80 PLUS金級能效要求。
參考資料：
1、《基于NCP1605、NCP1397和NCP4303的216W一體機電源參考設(shè)計文檔》，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/TND399-D.PDF，安森美半導體
2、《一體式臺式計算機電源培訓教材》，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/TND383-D.PDF，安森美半導體
3、《半橋拓撲結(jié)構(gòu)高端MOSFET驅(qū)動方案選擇：變壓器還是硅芯片？》，安森美半導體技術(shù)文章