探尋PS4的設(shè)計(jì)思路：如何實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換效率超過90％？

　　電源：轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90％多

　　PS4的特點(diǎn)之一是，內(nèi)置了把插座供給的AC電力轉(zhuǎn)換成DC的電源。任天堂的臺(tái)式游戲機(jī)“Wii U”和美國微軟的“Xbox One”就沒有內(nèi)置，而是利用外置AC適配器。

　　PS3也內(nèi)置了AC電源，不過PS4提高了其轉(zhuǎn)換效率。PS3的轉(zhuǎn)換效率為80％多，而PS4達(dá)到了90％多。“通過采用低損耗器件等提高了效率”（SCE第一事業(yè)部 設(shè)計(jì)部部長赤澤亨）。PS4的耗電量最大為250W，“在250W級(jí)的AC電源中屬于高效率”（某電源技術(shù)人員）。

　　設(shè)定為250W是“為了機(jī)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(huì)導(dǎo)致電源尺寸變大。因此設(shè)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(zhuǎn)換器電路，前段配置了PFC（Power Factor Correction）電路。12V系統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器為絕緣型，估計(jì)是適合高效率化的同步整流式LLC共振型。“PFC的效率為95％，DC-DC轉(zhuǎn)換器電路應(yīng)該在96～97％左右”（上述電源技術(shù)人員）。這兩個(gè)電路相乘，超過了90％。

　　實(shí)現(xiàn)90％多的轉(zhuǎn)換效率

　　PS4比PS3提高了電源模塊的轉(zhuǎn)換效率。雖然還取決于運(yùn)行情況，不過PS3的轉(zhuǎn)換效率為80％多，而PS4達(dá)到了90％多。電源模塊好像主要由PFC電路和DC-DC轉(zhuǎn)換器電路構(gòu)成。

　　支持快速的負(fù)荷變動(dòng)

　　向CPU和GPU供電的主板電源電路可以說是游戲機(jī)特有的，可以看出針對(duì)負(fù)荷變動(dòng)的周密對(duì)策。玩視頻游戲時(shí)，根據(jù)場面的不同，CPU和GPU的負(fù)荷會(huì)快速變動(dòng)。例如，在游戲內(nèi)的角色靜止時(shí)與高分辨率的多個(gè)角色激烈動(dòng)作時(shí)，CPU和GPU的電流會(huì)激烈變動(dòng)。

　　采用“3段構(gòu)造”應(yīng)對(duì)負(fù)荷變動(dòng)

　　主板上的CPU/GPU用電源電路為抑制負(fù)荷快速變動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電壓變動(dòng)，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(dòng)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(jì)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(fù)荷變動(dòng)產(chǎn)生的紋波，CPU和GPU用電源電路的輸入側(cè)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(gòu)造”。上述電源技術(shù)人員評(píng)價(jià)稱，這是“非常精心的設(shè)計(jì)”?！　?strong>冷卻機(jī)構(gòu)：根據(jù)流速變更翅片間隔

　　PS4的冷卻機(jī)構(gòu)為提高冷卻效果采用了很多改善對(duì)策。PS4從機(jī)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(jī)身背面的排氣口排出。

　　從一處排氣

　　PS4從機(jī)身背面的排氣口排放冷卻扇吸進(jìn)的空氣。風(fēng)依次流經(jīng)冷卻扇、冷卻翅片、電源模塊。（CG：SCE）

　　一般情況下，風(fēng)扇的下游會(huì)產(chǎn)生比大氣壓高的“正壓”，而上游產(chǎn)生比大氣壓低的“負(fù)壓”。為了不讓正壓區(qū)的空氣流向負(fù)壓區(qū)，把正壓區(qū)獨(dú)立起來。具體來說就是采用了連接風(fēng)扇、冷卻翅片和電源模塊的構(gòu)造。

　　PS4的這種熱設(shè)計(jì)沿襲了現(xiàn)行版PS3。只不過PS4進(jìn)一步實(shí)施了改進(jìn)。首先，設(shè)法從外周的吸氣口高效吸入空氣。SCE的鳳康宏自信地說，“實(shí)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(kuò)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(fēng)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(kuò)大間距提高導(dǎo)熱率，由此提高了冷卻性能（圖9）。熟悉熱設(shè)計(jì)的某技術(shù)人員評(píng)價(jià)說，根據(jù)流速變更翅片間隔的方法“通常在設(shè)計(jì)上比較費(fèi)時(shí)間，因此很難實(shí)行?？梢愿惺艿剑⊿CE的）設(shè)計(jì)人員對(duì)最大限度實(shí)現(xiàn)冷卻性能的執(zhí)著”。翅片的數(shù)量合計(jì)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(kuò)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(kuò)散主處理器的熱量，在散熱片的底板內(nèi)使用了一根熱管。估計(jì)是為了擴(kuò)散主處理器的熱量而設(shè)置的。另一根熱管從底板延伸到翅片上，應(yīng)該是為了向翅片高效導(dǎo)熱。

　　采用伺服控制

　　冷卻扇與PS3相比也有很多變更點(diǎn)。首先改變了風(fēng)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(cè)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(fēng)扇上下方向的風(fēng)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(jié)果控制冷卻扇的旋轉(zhuǎn)。PS3只有CPU內(nèi)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(xì)地控制冷卻扇。

　　另外，改變了風(fēng)扇的控制方法。由原來分級(jí)控制的“有級(jí)變速控制”變成了可通過伺服控制無級(jí)調(diào)整轉(zhuǎn)速的方式。效果最為明顯的是低負(fù)荷時(shí)，能比原來減少風(fēng)扇的轉(zhuǎn)數(shù)。

　　風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)控制利用溫度傳感器的測量結(jié)果，以使溫度不超過規(guī)定值。除了此前的CPU內(nèi)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(xì)致地控制風(fēng)扇。來自電源模塊的部分排氣從通風(fēng)口直接到達(dá)主板上的溫度傳感器。

　　此外，還改變了驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的馬達(dá)。由原來的單相馬達(dá)變?yōu)槿囫R達(dá)。SCE的鳳康宏介紹說，“降低了振動(dòng)和低速旋轉(zhuǎn)時(shí)的電磁噪聲”。