不单只看数据表 要考虑真实世界中的ATX PC效能
安森美半导体的Eric Glatfelter、Juan Carlos Pastrana和Laurent Jenck为您阐释，为何需了解效能规范标准的要求, 才可帮助把现实生活用的ATX PC电源设计最佳化。
电脑OEM正面对商业、环保和法规等多方面的压力，需要实践他们产品的效能，提供更“绿色”” 的桌上型个人电脑(PC)和伺服器。这使设计这些产品的工程师需要设计出符合美国80 PLUS?、“能源之星” (ENERGY STAR?)和电脑产业拯救气候行动计划(CSCI)等效能标准的PC电源。有鉴于此，如今越来越多的半导体公司开始积极地开发晶片组和参考设计，乍看之下，这些晶片组和参考设计好像帮助设计人员达成目标，可惜事情并非表面看起来那样简单。
问题在于并非所有解决方案都胜任，设计PC电源的工程师需比较市场上不同的设计取舍出最具效能的方案。尤其当某电源设计展现出符合某项特定标准时，并不表示此电源设计在PC投入实际应用时将会提供设计人员所期望的目标效能。因此，工程师有必要仔细查看数据表及基本技术，并完全了解供应商怎样达到他们所宣称的效能。
数据表和标准与真实世界之间的对比
为了说明挑战之所在，让我们以某个工程师为例，其任务是采用符合80 PLUS银级性能规范的ATX电源设计桌上型PC。80 PLUS这项计划由北美地区的电力公用事业机构资助，用意在于鼓励在桌上型PC和伺服器中使用更高效能的电源。为了达到这个目标，80 PLUS银级规范要求电脑和伺服器中的多路输出电源在20%和100%额定输出功率时拥有最低85%的效能，而在50%额定输出功率时效能最低为88%。
首当其冲的问题在于这是一个以美国为中心的规范，获得相关的认证仅需要各效能额定值在115 Vac额定输入电压条件下验证。然而，许多桌上型电脑设计将会在全世界销售和使用，因此必须能够提供100 Vac(如日本)至240 Vac(大部分欧洲国家)之间的任何“通用”线路电压。所以真正致力于提供绿色PC、且希望将这承担转化为消费者带来商业优势的PC制造商，必须在完整电压范围内实现他们宣称的效能水准。
输入电压条件变化范围宽的这个问题引发了许多不可小觑的挑战，尤其是在输入段导电损耗的影响问题。当处在输入电压范围的低端时，这些损耗会严重影响电源总效能，使维持效能额定值以符合相关标准变得困难。
工程师也必须考虑“实际功率与额定功率不同”的问题。一个ATX电源可能额定用于255 W工作，但在真实世界工作中，仅在处理器电脑高度密集的应用时，才会几近满载工作。现实中，大多数桌上型PC极少在满载条件下工作，据估计，通常超过2/3的情况是在“轻载”条件下工作。而在轻载条件下，与“常规(housekeeping)”工作相关的损耗占总损耗的百分比较大，并对工作效率有着相等的负面影响。
线缆长度问题
工程师在考虑制造商所宣称的效能时应该留意的另一项因素是，符合性测试和认证过程期间所使用线缆的长度。认证要求中并没有规定线缆长度，导致某些制造商所宣称的效能水准是直接在电源输出端测得的，或是采用不切实际的短线缆上测得。
现实工作中的桌上型PC的外形因数及设计，意指电源和电能提供点之间的线缆长度通常测起来约为16英寸(41公分)，因此是构成总损耗的一个因素。有鉴于此，实验室需要采用类似长度的线缆来模拟测试真实世界的效能。
使真实世界的工作符合宣称的效能
安森美半导体考虑到这些问题，所以开发出公开的高效能ATX电源参考设计，为桌上型PC和伺服器制造商提供在不同工作条件下与80 PLUS银级、“能源之星”5.0版和电脑产业拯救气候行动计划第三阶段效能标准一致的真实世界效能。同时，设计还得符合IEC61000-3-2与功率因数修正(PFC)相关的要求，且涵盖范围广阔的真实世界工作条件。
安森美半导体相应开发出来的GreenPoint? ATX参考设计的电路图，此参考设计提供ATX电源的全部功能模组，包括功率因数修正、开关电源控制及稳压、后稳压和待机电源要求。
这项新设计结合了多种半导体技术，而每种技术都经过最佳化，尽可能提供最高的性能/能耗比。
在交流电源输入或初级端，安森美半导体的NCP1654连续导电模式(CCM)功率因数修正控制器减少了加入PFC功能所需要的元件数量，并提供强固、高成本效益的前端，用于90至265 Vac的输入电压范围。此PFC段提供恒定的385 V输出电压给次级段的谐振半桥双电感加单电容(HB LLC)转换器。而这个拓扑结构使效能最佳化，并将电磁干扰(EMI)信号减到最少。这个谐振半桥LLC转换器采用NCP1396建构。由于它的专有高压技术，此转换器包含用于半桥应用的高端和低端驱动器，接受达600 V的大(bulk)电压。
在次级端，这个架构使用安森美半导体NCP4302控制器建构的同步整流机制以产生12 V输出。NCP4302特别为简化同步整流在开关电源中的应用而设计，提升系统总效能2%至4%。除了同步整流控制，此元件还整合了TL431功能于一个精确分流稳压器内，既缩减电路板面积，也降低系统成本。
这项设计采用MBR20L45双萧特基整流器，在工作时正向压降极低，藉此进一步减少电能损耗。
最后，这项设计采用两颗相同的直流-直流(DC-DC)控制器将12 V电压向下转换至+5 V、 +3.3 V和-12 V。这种DC-DC控制器是NCP1587，采用SOIC-8封装的低压同步降压控制器。每个DC-DC控制器都采用同步整流机制驱动2颗NTD4809N(30 V、58 A单N通道功率MOSFET)。此MOSFET具有低导通阻抗(RDS(ON))，将导电损耗减至最少，具低电容降低驱动器损耗，还具最佳化门电荷将开关损耗降到最低。
此外，这项设计中基于高整合度开关稳压器NCP1027构建的紧凑型反驰式转换器，提供另一个隔离5 V输入端15 W的待机功率。此一元件内含1颗700 V MOSFET，整合了专有的跳周期技术，提升轻载条件下的效能。
效能测试
这项新的255 W ATX电源参考设计，在100 Vac、115 Vac、230 Vac和240 Vac输入电压、多种不同负载条件下进行的效能测试的结果。为了模拟真实世界环境，所有测试的测量结果都是在16英寸(41公分)的线缆末端所取得。
这参考设计在50%负载时，在230 Vac和240 Vac输入条件下能够实现90%的最高效能，并在100 Vac和115 Vac电压下工作效能高于88%。此外，在所有输入电压下，20%和100%负载时的效能高于85%。这些结果让选择此一参考设计的电脑OEM能保证他们的ATX电源超越80 PLUS银级、“能源之星” 5.0版和电脑产业拯救气候行动计划第三阶段桌上型PC电源效能标准。这项参考设计的80 PLUS银级效能性能已获得一家独立测试实验室的认证。
结论
从商业及环保的角度来讲，当今的消费者和企业对桌上型PC和伺服器的功耗越来越关注。因此，现代系统不仅必须具备符合相关效能标准的认证，还必须证明它们能够在真实世界、而非实验室环境下，达到这些标准所规定的效能水准。有鉴于此，工程师必需仔细评估设计的规范，并完全了解供应商如何达到数据表中所宣称的效能，尤其是不同额定电压条件下的效能、获得测试结果处所离电源的距离等因素。工程师有了全盘了解后，才能够精确评估真实世界情况下的效能，以及在终端产品实现宣称“绿色”效能的合理性。
安森美半导体精心挑选从控制器到MOSFET的半导体元件，来创建ATX 255 W的公开参考设计，其配置可立即投入生产，所提供的真实世界效能水准则超越了80 PLUS银级、“能源之星” 5.0版和电脑产业拯救气候行动计划第三阶段桌上型PC电源效能标准所要求的效能水准。
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