探寻PS4的设计思路：如何实现电源转换效率超过90％？

电源：转换效率达到90％多

PS4的特点之一是，内置了把插座供给的AC电力转换成DC的电源。任天堂的台式游戏机“Wii U”和美国微软的“Xbox One”就没有内置，而是利用外置AC适配器。

　　PS3也内置了AC电源，不过PS4提高了其转换效率。PS3的转换效率为80％多，而PS4达到了90％多。“通过采用低损耗器件等提高了效率”（SCE第一事业部 设计部部长赤泽亨）。PS4的耗电量最大为250W，“在250W级的AC电源中属于高效率”（某电源技术人员）。

　　设定为250W是“为了机身的小型化”（SCE的赤泽）。超过250W的话，电源连接器的端子数就要变成3根，会导致电源尺寸变大。因此设定为250W，把连接器控制为2端子。

　　PS4的AC电源模块似乎配备的是双系统。主板为12V系统，其他为4.7V系统。均具备DC-DC转换器电路，前段配置了PFC（Power Factor Correction）电路。12V系统的DC-DC转换器为绝缘型，估计是适合高效率化的同步整流式LLC共振型。“PFC的效率为95％，DC-DC转换器电路应该在96～97％左右”（上述电源技术人员）。这两个电路相乘，超过了90％。

实现90％多的转换效率

　　PS4比PS3提高了电源模块的转换效率。虽然还取决于运行情况，不过PS3的转换效率为80％多，而PS4达到了90％多。电源模块好像主要由PFC电路和DC-DC转换器电路构成。

支持快速的负荷变动

　　向CPU和GPU供电的主板电源电路可以说是游戏机特有的，可以看出针对负荷变动的周密对策。玩视频游戏时，根据场面的不同，CPU和GPU的负荷会快速变动。例如，在游戏内的角色静止时与高分辨率的多个角色激烈动作时，CPU和GPU的电流会激烈变动。

采用“3段构造”应对负荷变动

　　主板上的CPU/GPU用电源电路为抑制负荷快速变动时产生的电压变动，安装了铝电解电容器、积层陶瓷电容器和旁路电容器三种电容器。

　　而且，由于向CPU和GPU供给的电流较大，电流的变动幅度也很大。CPU配备双相电源电路，GPU配备4相电源电路。从电源电路采用的电源IC和电感器等来看，估计CPU用电源电路具备最大40～50A的载流量，而GPU用电源电路具备最大100～140A左右的载流量。

　　为抑制激烈的负荷变动产生的纹波，CPU和GPU用电源电路的输入侧采用安装了铝电解电容器、积层陶瓷电容器和旁路电容器的“3段构造”。上述电源技术人员评价称，这是“非常精心的设计”。　　冷却机构：根据流速变更翅片间隔

　　PS4的冷却机构为提高冷却效果采用了很多改善对策。PS4从机身外周部的吸气口吸入的空气依次经过冷却扇、冷却翅片和电源模块，从机身背面的排气口排出。

　从一处排气

　　PS4从机身背面的排气口排放冷却扇吸进的空气。风依次流经冷却扇、冷却翅片、电源模块。（CG：SCE）

　　一般情况下，风扇的下游会产生比大气压高的“正压”，而上游产生比大气压低的“负压”。为了不让正压区的空气流向负压区，把正压区独立起来。具体来说就是采用了连接风扇、冷却翅片和电源模块的构造。

　　PS4的这种热设计沿袭了现行版PS3。只不过PS4进一步实施了改进。首先，设法从外周的吸气口高效吸入空气。SCE的凤康宏自信地说，“实现了比历代任何PS3都低的空气阻力值”。

　　其次，根据空气的速度（流速）改变了冷却翅片的翅片间隔。在流速快的区域把翅片间隔稍微扩大到约2mm，而在流速慢的区域则缩到约1.3mm。PS4采用的离心型风扇的排气口流速分布不均匀。因此，在流速慢、空气粘性阻力影响小的区域缩窄间距增加翅片面积，而在流速快、粘性阻力影响大的区域则扩大间距提高导热率，由此提高了冷却性能（图9）。熟悉热设计的某技术人员评价说，根据流速变更翅片间隔的方法“通常在设计上比较费时间，因此很难实行。可以感受到（SCE的）设计人员对最大限度实现冷却性能的执着”。翅片的数量合计为50片。

根据流速变更翅片间隔

　　PS4根据从冷却翅片流过的空气速度（流速），改变了冷却翅片的间隔。通过在流速慢的区域缩窄翅片间隔，在流速快的区域扩大翅片间隔，提高了冷却效果。（CG：SCE）

　　再次，热管数量由PS3的一根增加到了两根。为扩散主处理器的热量，在散热片的底板内使用了一根热管。估计是为了扩散主处理器的热量而设置的。另一根热管从底板延伸到翅片上，应该是为了向翅片高效导热。

采用伺服控制

　　冷却扇与PS3相比也有很多变更点。首先改变了风扇尺寸。例如，把口径缩小到了85mm。冷却扇的形状也变成了从侧面看为梯形的形状。这是从PS4开始采用的形状，目的是使流经风扇上下方向的风速度均匀。

直接测量排气温度

　　PS4利用传感器测量温度，根据结果控制冷却扇的旋转。PS3只有CPU内部有温度传感器，而PS4还在排气口附近配置了温度传感器，可直接测量排气温度。由此能更精细地控制冷却扇。

　　另外，改变了风扇的控制方法。由原来分级控制的“有级变速控制”变成了可通过伺服控制无级调整转速的方式。效果最为明显的是低负荷时，能比原来减少风扇的转数。

　　风扇的旋转控制利用温度传感器的测量结果，以使温度不超过规定值。除了此前的CPU内部的温度传感器外，PS4还新采用了测量排气温度的传感器，能够更加细致地控制风扇。来自电源模块的部分排气从通风口直接到达主板上的温度传感器。

　　此外，还改变了驱动风扇的马达。由原来的单相马达变为三相马达。SCE的凤康宏介绍说，“降低了振动和低速旋转时的电磁噪声”。