不單隻看數據表 要考慮真實世界中的ATX PC效能
安森美半導體的Eric Glatfelter、Juan Carlos Pastrana和Laurent Jenck為您闡釋，為何需了解效能規範標準的要求, 才可幫助把現實生活用的ATX PC電源設計最佳化。
電腦OEM正面對商業、環保和法規等多方面的壓力，需要實踐他們產品的效能，提供更“綠色”” 的桌上型個人電腦(PC)和伺服器。這使設計這些產品的工程師需要設計出符合美國80 PLUS?、“能源之星” (ENERGY STAR?)和電腦產業拯救氣候行動計劃(CSCI)等效能標準的PC電源。有鑒於此，如今越來越多的半導體公司開始積極地開發晶片組和參考設計，乍看之下，這些晶片組和參考設計好像幫助設計人員達成目標，可惜事情並非表面看起來那樣簡單。
問題在於並非所有解決方案都勝任，設計PC電源的工程師需比較市場上不同的設計取捨出最具效能的方案。尤其當某電源設計展現出符合某項特定標準時，並不表示此電源設計在PC投入實際應用時將會提供設計人員所期望的目標效能。因此，工程師有必要仔細查看數據表及基本技術，並完全了解供應商怎樣達到他們所宣稱的效能。
數據表和標準與真實世界之間的對比
為了說明挑戰之所在，讓我們以某個工程師為例，其任務是採用符合80 PLUS銀級性能規範的ATX電源設計桌上型PC。80 PLUS這項計劃由北美地區的電力公用事業機構資助，用意在於鼓勵在桌上型PC和伺服器中使用更高效能的電源。為了達到這個目標，80 PLUS銀級規範要求電腦和伺服器中的多路輸出電源在20%和100%額定輸出功率時擁有最低85%的效能，而在50%額定輸出功率時效能最低為88%。
首當其衝的問題在於這是一個以美國為中心的規範，獲得相關的認證僅需要各效能額定值在115 Vac額定輸入電壓條件下驗證。然而，許多桌上型電腦設計將會在全世界銷售和使用，因此必須能夠提供100 Vac(如日本)至240 Vac(大部分歐洲國家)之間的任何“通用”線路電壓。所以真正緻力於提供綠色PC、且希望將這承擔轉化為消費者帶來商業優勢的PC製造商，必須在完整電壓範圍內實現他們宣稱的效能水準。
輸入電壓條件變化範圍寬的這個問題引發了許多不可小覷的挑戰，尤其是在輸入段導電損耗的影響問題。當處在輸入電壓範圍的低端時，這些損耗會嚴重影響電源總效能，使維持效能額定值以符合相關標準變得困難。
工程師也必須考慮“實際功率與額定功率不同”的問題。一個ATX電源可能額定用於255 W工作，但在真實世界工作中，僅在處理器電腦高度密集的應用時，才會幾近滿載工作。現實中，大多數桌上型PC極少在滿載條件下工作，據估計，通常超過2/3的情況是在“輕載”條件下工作。而在輕載條件下，與“常規(housekeeping)”工作相關的損耗佔總損耗的百分比較大，並對工作效率有着相等的負面影響。
線纜長度問題
工程師在考慮製造商所宣稱的效能時應該留意的另一項因素是，符合性測試和認證過程期間所使用線纜的長度。認證要求中並沒有規定線纜長度，導緻某些製造商所宣稱的效能水準是直接在電源輸出端測得的，或是採用不切實際的短線纜上測得。
現實工作中的桌上型PC的外形因數及設計，意指電源和電能提供點之間的線纜長度通常測起來約為16英寸(41公分)，因此是構成總損耗的一個因素。有鑒於此，實驗室需要採用類似長度的線纜來模擬測試真實世界的效能。
使真實世界的工作符合宣稱的效能
安森美半導體考慮到這些問題，所以開發出公開的高效能ATX電源參考設計，為桌上型PC和伺服器製造商提供在不同工作條件下與80 PLUS銀級、“能源之星”5.0版和電腦產業拯救氣候行動計劃第三階段效能標準一緻的真實世界效能。同時，設計還得符合IEC61000-3-2與功率因數修正(PFC)相關的要求，且涵蓋範圍廣闊的真實世界工作條件。
安森美半導體相應開發出來的GreenPoint? ATX參考設計的電路圖，此參考設計提供ATX電源的全部功能模組，包括功率因數修正、開關電源控制及穩壓、後穩壓和待機電源要求。
這項新設計結合了多種半導體技術，而每種技術都經過最佳化，儘可能提供最高的性能/能耗比。
在交流電源輸入或初級端，安森美半導體的NCP1654連續導電模式(CCM)功率因數修正控制器減少了加入PFC功能所需要的元件數量，並提供強固、高成本效益的前端，用於90至265 Vac的輸入電壓範圍。此PFC段提供恆定的385 V輸出電壓給次級段的諧振半橋雙電感加單電容(HB LLC)轉換器。而這個拓撲結構使效能最佳化，並將電磁幹擾(EMI)信號減到最少。這個諧振半橋LLC轉換器採用NCP1396建構。由於它的專有高壓技術，此轉換器包含用於半橋應用的高端和低端驅動器，接受達600 V的大(bulk)電壓。
在次級端，這個架構使用安森美半導體NCP4302控制器建構的同步整流機制以產生12 V輸出。NCP4302特別為簡化同步整流在開關電源中的應用而設計，提升系統總效能2%至4%。除了同步整流控制，此元件還整合了TL431功能於一個精確分流穩壓器內，既縮減電路闆面積，也降低系統成本。
這項設計採用MBR20L45雙蕭特基整流器，在工作時正向壓降極低，藉此進一步減少電能損耗。
最後，這項設計採用兩顆相同的直流-直流(DC-DC)控制器將12 V電壓向下轉換至+5 V、 +3.3 V和-12 V。這種DC-DC控制器是NCP1587，採用SOIC-8封裝的低壓同步降壓控制器。每個DC-DC控制器都採用同步整流機制驅動2顆NTD4809N(30 V、58 A單N通道功率MOSFET)。此MOSFET具有低導通阻抗(RDS(ON))，將導電損耗減至最少，具低電容降低驅動器損耗，還具最佳化門電荷將開關損耗降到最低。
此外，這項設計中基於高整合度開關穩壓器NCP1027構建的緊湊型反馳式轉換器，提供另一個隔離5 V輸入端15 W的待機功率。此一元件內含1顆700 V MOSFET，整合了專有的跳週期技術，提升輕載條件下的效能。
效能測試
這項新的255 W ATX電源參考設計，在100 Vac、115 Vac、230 Vac和240 Vac輸入電壓、多種不同負載條件下進行的效能測試的結果。為了模擬真實世界環境，所有測試的測量結果都是在16英寸(41公分)的線纜末端所取得。
這參考設計在50%負載時，在230 Vac和240 Vac輸入條件下能夠實現90%的最高效能，並在100 Vac和115 Vac電壓下工作效能高於88%。此外，在所有輸入電壓下，20%和100%負載時的效能高於85%。這些結果讓選擇此一參考設計的電腦OEM能保證他們的ATX電源超越80 PLUS銀級、“能源之星” 5.0版和電腦產業拯救氣候行動計劃第三階段桌上型PC電源效能標準。這項參考設計的80 PLUS銀級效能性能已獲得一家獨立測試實驗室的認證。
結論
從商業及環保的角度來講，當今的消費者和企業對桌上型PC和伺服器的功耗越來越關注。因此，現代系統不僅必須具備符合相關效能標準的認證，還必須證明它們能夠在真實世界、而非實驗室環境下，達到這些標準所規定的效能水準。有鑒於此，工程師必需仔細評估設計的規範，並完全了解供應商如何達到數據表中所宣稱的效能，尤其是不同額定電壓條件下的效能、獲得測試結果處所離電源的距離等因素。工程師有了全盤了解後，才能夠精確評估真實世界情況下的效能，以及在終端產品實現宣稱“綠色”效能的合理性。
安森美半導體精心挑選從控制器到MOSFET的半導體元件，來創建ATX 255 W的公開參考設計，其配置可立即投入生產，所提供的真實世界效能水準則超越了80 PLUS銀級、“能源之星” 5.0版和電腦產業拯救氣候行動計劃第三階段桌上型PC電源效能標準所要求的效能水準。
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