探尋PS4的設計思路:如何實現(xiàn)電源轉換效率超過90%?
電源:轉換效率達到90%多
PS4的特點之一是,內置了把插座供給的AC電力轉換成DC的電源。任天堂的臺式游戲機“Wii U”和美國微軟的“Xbox One”就沒有內置,而是利用外置AC適配器。
PS3也內置了AC電源,不過PS4提高了其轉換效率。PS3的轉換效率為80%多,而PS4達到了90%多?!巴ㄟ^采用低損耗器件等提高了效率”(SCE第一事業(yè)部 設計部部長赤澤亨)。PS4的耗電量最大為250W,“在250W級的AC電源中屬于高效率”(某電源技術人員)。
設定為250W是“為了機身的小型化”(SCE的赤澤)。超過250W的話,電源連接器的端子數(shù)就要變成3根,會導致電源尺寸變大。因此設定為250W,把連接器控制為2端子。
PS4的AC電源模塊似乎配備的是雙系統(tǒng)。主板為12V系統(tǒng),其他為4.7V系統(tǒng)。均具備DC-DC轉換器電路,前段配置了PFC(Power Factor Correction)電路。12V系統(tǒng)的DC-DC轉換器為絕緣型,估計是適合高效率化的同步整流式LLC共振型?!癙FC的效率為95%,DC-DC轉換器電路應該在96~97%左右”(上述電源技術人員)。這兩個電路相乘,超過了90%。
實現(xiàn)90%多的轉換效率
PS4比PS3提高了電源模塊的轉換效率。雖然還取決于運行情況,不過PS3的轉換效率為80%多,而PS4達到了90%多。電源模塊好像主要由PFC電路和DC-DC轉換器電路構成。
支持快速的負荷變動
向CPU和GPU供電的主板電源電路可以說是游戲機特有的,可以看出針對負荷變動的周密對策。玩視頻游戲時,根據(jù)場面的不同,CPU和GPU的負荷會快速變動。例如,在游戲內的角色靜止時與高分辨率的多個角色激烈動作時,CPU和GPU的電流會激烈變動。
采用“3段構造”應對負荷變動
主板上的CPU/GPU用電源電路為抑制負荷快速變動時產(chǎn)生的電壓變動,安裝了鋁電解電容器、積層陶瓷電容器和旁路電容器三種電容器。
而且,由于向CPU和GPU供給的電流較大,電流的變動幅度也很大。CPU配備雙相電源電路,GPU配備4相電源電路。從電源電路采用的電源IC和電感器等來看,估計CPU用電源電路具備最大40~50A的載流量,而GPU用電源電路具備最大100~140A左右的載流量。
為抑制激烈的負荷變動產(chǎn)生的紋波,CPU和GPU用電源電路的輸入側采用安裝了鋁電解電容器、積層陶瓷電容器和旁路電容器的“3段構造”。上述電源技術人員評價稱,這是“非常精心的設計”?! ±鋮s機構:根據(jù)流速變更翅片間隔
PS4的冷卻機構為提高冷卻效果采用了很多改善對策。PS4從機身外周部的吸氣口吸入的空氣依次經(jīng)過冷卻扇、冷卻翅片和電源模塊,從機身背面的排氣口排出。
從一處排氣
PS4從機身背面的排氣口排放冷卻扇吸進的空氣。風依次流經(jīng)冷卻扇、冷卻翅片、電源模塊。(CG:SCE)
一般情況下,風扇的下游會產(chǎn)生比大氣壓高的“正壓”,而上游產(chǎn)生比大氣壓低的“負壓”。為了不讓正壓區(qū)的空氣流向負壓區(qū),把正壓區(qū)獨立起來。具體來說就是采用了連接風扇、冷卻翅片和電源模塊的構造。
PS4的這種熱設計沿襲了現(xiàn)行版PS3。只不過PS4進一步實施了改進。首先,設法從外周的吸氣口高效吸入空氣。SCE的鳳康宏自信地說,“實現(xiàn)了比歷代任何PS3都低的空氣阻力值”。
其次,根據(jù)空氣的速度(流速)改變了冷卻翅片的翅片間隔。在流速快的區(qū)域把翅片間隔稍微擴大到約2mm,而在流速慢的區(qū)域則縮到約1.3mm。PS4采用的離心型風扇的排氣口流速分布不均勻。因此,在流速慢、空氣粘性阻力影響小的區(qū)域縮窄間距增加翅片面積,而在流速快、粘性阻力影響大的區(qū)域則擴大間距提高導熱率,由此提高了冷卻性能(圖9)。熟悉熱設計的某技術人員評價說,根據(jù)流速變更翅片間隔的方法“通常在設計上比較費時間,因此很難實行??梢愿惺艿剑⊿CE的)設計人員對最大限度實現(xiàn)冷卻性能的執(zhí)著”。翅片的數(shù)量合計為50片。
根據(jù)流速變更翅片間隔
PS4根據(jù)從冷卻翅片流過的空氣速度(流速),改變了冷卻翅片的間隔。通過在流速慢的區(qū)域縮窄翅片間隔,在流速快的區(qū)域擴大翅片間隔,提高了冷卻效果。(CG:SCE)
再次,熱管數(shù)量由PS3的一根增加到了兩根。為擴散主處理器的熱量,在散熱片的底板內使用了一根熱管。估計是為了擴散主處理器的熱量而設置的。另一根熱管從底板延伸到翅片上,應該是為了向翅片高效導熱。
采用伺服控制
冷卻扇與PS3相比也有很多變更點。首先改變了風扇尺寸。例如,把口徑縮小到了85mm。冷卻扇的形狀也變成了從側面看為梯形的形狀。這是從PS4開始采用的形狀,目的是使流經(jīng)風扇上下方向的風速度均勻。
直接測量排氣溫度
PS4利用傳感器測量溫度,根據(jù)結果控制冷卻扇的旋轉。PS3只有CPU內部有溫度傳感器,而PS4還在排氣口附近配置了溫度傳感器,可直接測量排氣溫度。由此能更精細地控制冷卻扇。
另外,改變了風扇的控制方法。由原來分級控制的“有級變速控制”變成了可通過伺服控制無級調整轉速的方式。效果最為明顯的是低負荷時,能比原來減少風扇的轉數(shù)。
風扇的旋轉控制利用溫度傳感器的測量結果,以使溫度不超過規(guī)定值。除了此前的CPU內部的溫度傳感器外,PS4還新采用了測量排氣溫度的傳感器,能夠更加細致地控制風扇。來自電源模塊的部分排氣從通風口直接到達主板上的溫度傳感器。
此外,還改變了驅動風扇的馬達。由原來的單相馬達變?yōu)槿囫R達。SCE的鳳康宏介紹說,“降低了振動和低速旋轉時的電磁噪聲”。