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SPS电源
1.SPS之用途:
我们先以日常生活中会用到的电器用品来说明,清早起来打开电子式日光灯或电子式台灯,刷牙时,充电式电动牙刷之充电器,用遥控器打开电视机看新闻,用电磁炉或微波炉加热早餐,出门搭电梯下楼,进入办公室时,放眼望去每一种需插电的事务机器,电话、传真。
。
。
,大致可以说需用到电的产品,就是SMPS的可能用途。
所需的规格要求及线路架构则随使用场所,价格上会有极大差异。
以一般我们选用的电子零件,其温度范围就可分为:
●商业用(0~70℃)
●工业用(-25~125℃)
●军事用(-40~125℃)
而SPS也会因为使用的周围环境温度范围,而区分不同的等级:
●商业用(0~40℃)------一般日常生活所接触到的电器用品,如电脑、影印机所使用者
●工业用(-20~71℃)------工业产品所使用的POWER,如SMD机器、CNC机器中的POWER即是
●军事用(-40~125℃)------军事用途,如飞弹、战舰、坦克中所用到的POWER
不同的温度范围,所选用的零件就不相同,其价格当然也不同
2.SwitchingPowerSupplyBuildingBlocks:
ACOUT
专有名词解释:
a﹒PWM:
PulseWidthModulator脉波宽度调变器
b﹒CCM:
连续模式(一般设计都属于此模式)
c﹒DCM:
不连续模式
3.SPS常用之架构和种类:
3.1.依输出/输入使用的电压高低可分为:
(适用于非隔离的环境*)
*所谓非隔离的环境:
如同下列所提的环境,都是自己形成一个系统,输入与输出共地,不会与其他的系统连线,而且接地良好,不会对使用者有漏电的危险,例如其中所提的系统输入都属于低电压输入,而且使用者接触的机壳都是接地(GROUND),没有被电到的危险。
(a).降压式(Buck):
输入比输出高,例如卡车之车用冰箱中的POWER将24V转12V
Fig.2-1
(b).升压式(Boost):
输入比输出低,例如电击棒将电池电压9V升高为1000V
Fig.2-2
(c).降升压式(Buck-Boost):
输入比输出低或高,例如汽车充电器充笔记型电脑19V电池,而汽车电池有轿车12V及卡车24V两种
Fig.2-3
(线路动作原理请参见相关SPS基本原理说明)
3.2.一般常用架构可分为:
(适用于需隔离的环境*)
*所谓需隔离的环境:
用专业术语来说就是──输入与输出不共地,例如帛汉的DC/DC使用于网路卡,而网路连线就是一个典型的隔离环境,因为两部电脑的输入接地不一定相同(插头不一定插同一方向),如果使用非隔离的电源,将会天下大乱,而且会有因两部电脑地的电位不同,造成两部电脑间大电流流动,而使保险丝烧毁。
(a).自激式(FreeRunning):
0.5W~50W
自激式一般称为RCC线路,是返驰式的其中一种架构,其震荡频率随负载而变:
轻载时振荡频率高,重载时震荡频率低。
(b).返驰式(Fly-Back):
3W~200W
在此将其定义为常见的定频式PWM(脉波宽度调变式)架构,其脉波宽度随负载而变:
轻载时脉波宽度窄,重载时脉波宽度宽。
能量转移是靠N-MOSQ1ON时先存于主变压器T1的GAP中,N-MOSQ1OFF时,主变压器的能量,经由D1传到输出电容C1。
而Rs则是用来侦测输出瓦数,达到保护的目的。
Fig.2-4
(c).顺向式(Forward):
60W~300W
顺向式(Forward)的动作原理与返驰式(Fly-Back)接近,唯其能量是于Q1ON时先经由D1存于CHOKEL1中(T1没有GAP),Q1OFF时,L1的能量经由D2传到输出电容C1。
注意T1的磁滞曲线只在第一相限活动。
Fig.2-5
(d).推挽式(Push-Pull):
150W~600W(Half-Bridge)
600W以上(Half-Bridge)
推挽式(Push-Pull)的动作原理则又与前馈式(Forward)接近,只是T1的磁滞曲线则在第1&3相限活动。
Fig.2-6
3.3.一般种类可分为:
(a).ACtoDC(Adapter):
常用于日常生活中,如计算机、笔记型电脑、无线电话机、充电器…
(b).DCtoAC(Inverter):
如笔记型电脑中背光板灯管用电源
(c).DCtoDC(Converter):
如帛汉现有产品5V转9V
(d).ACtoAC(Converter):
如变频器、电子式安定器……
4.常见之规格内容及名词解释:
一般规格区分为以下内容:
●AC或DC输入要求……………………………….………….(4.1).
●AC或DC输出要求………………………………………....(4.2).
●异常使用保护(Protection)……………………………….(4.3).
●操作环境要求(OperationEnvironment)………………..(4.4).
●Safety(安规)及各国国家标准……………………………….(4.5).
●EMIConduction(电磁传导)&Radiation(电磁辐射)…(4.6).
●MTBF(MeanTimeBeforeFailure)可靠度要求………….(4.7).
●机构…………………………………………………………..(4.8).
●名词解释…………………………………………………….(4.9).
现分述如下:
4.1.AC或DC输入要求:
(a).InputVoltageRange:
输入电压范围(V),最低~最高,例如:
台湾、美国为90~135Vac,欧洲、大陆则为180~264Vac.若为Universal则为90~264Vac。
(b).InputFrequency:
输入AC电源的频率(Hz),视各国发电机系统而定,例如:
日本为50Hz,台湾为60Hz,欧洲、大陆为50Hz。
(c).InrushCurrent:
输入突波电流(A),指开机瞬间或刚插插头时,流过电源线的尖波电流,通常于冷开机状态下测得为标准。
造成的原因是SMPS输入端有电容,开机瞬间电容需要充电而形成类似短路,于是产生尖波电流,需要于输入回路加入热敏电阻予以限制,否则会造成断路器跳脱。
一般要求:
115Vac时=30AMax.,而230Vac时=60AMax.。
(d).Max.InputCurrent:
最大输入电流(A),出现于最低输入电压时,通常加入10%误差。
算法为:
Max.InputCurrent(A)=
输出瓦数
X100%
VinMin.*Efficiency*Cosθ*0.9
*该电流值被要求写在LABEL上。
(e).InputEfficiency:
输入效率(%),例如:
输出瓦数=5W,输入瓦数=10W,则效率=5/10,即为50%。
InputEfficiency(%)=
输出瓦数
X100%
输入瓦数
*输入瓦数系从瓦特表读到的实功率值,不含功率因数的虚功率(Cosθ)
(f).ACInputPowerFactor:
交流功率因数(Cosθ),表示输入电压与电流的相位差,一般SMPS的输入阻抗为电容性(因输入有一个大电容),电压波形将落后电流波形,而马达类产品则呈现电感性,电压波形将超前电流波形;这种使电压与电流不同相位,将对发电厂造成虚功率,其值的大小为该相位差角度取Cos值,例如:
有一部SMPS使AC输入电压波形落后电流波形45°,则Cosθ=0.707,表示若发电厂供应100瓦交流电力(电表读到)给该SMPS,则实际功率只有70.7瓦,如果该SMPS的效率为50%,则输出端得到的功率输出为35.35瓦,意思就是说当我们于该SMPS输出端负载35.35瓦,对发电厂来说是100瓦的负载(电表读到)。
而一般未加功率因数补偿的SMPS,在AC115V时Cosθ=0.6,AC230V时Cosθ=0.5,甚至更低,不难想像为何欧洲要要求SMPS加入功率因数补偿线路。
附注:
功率因数补偿线路分为主动式(Active)与被动式(Pasive),主动式的Cosθ=0.9Min.,而被动式的Cosθ=0.7Typ.
4.2.AC或DC输出要求:
(a).OutputAccuracy:
输出电压容许误差值(%),一般为5%,输出电压简称Vo
(b).Max.Load:
最大输出负载电流(A),亦即为该SMPS设计的最大输出瓦数,因为P=V*I,例如:
一部5V的SMPS,标示最大输出负载电流Io=2A,即表示最大持续输出瓦数=10W.
(c).Min.Load:
最小输出负载电流(A),标示最小的输出负载电流,表示该SMPS为维持输出电压稳定,所需的最小输出电流,Adapter的Min.Load为0A.
(d).PeakLoad:
短时间输出负载电流(A),简称:
Ipeak,表示该SMPS可允许短时间的输出负载电流,通常时间为30秒,而负载为Max.Load的1.2~1.5倍,视负载的产品而不同。
例如传真机Ipeak为Io的5倍左右,ExternalHardDisk为1.4倍左右。
(e).OutputRipple:
涟波(mV),由于SMPS本身是靠连续不停的振荡,有一个基本震荡频率,每一个周期都有ON与OFF,输出电容不停的充放电,于是输出电压上就重叠着一个交流的成分,称为涟波。
该涟波随负载大小而变,一般为输出电压值的1%,例如:
5V输出时,涟波规格为50mVMax.
(f).OutputNoise:
杂讯(mV),以前面SMPS架构中的Fly-Back为例,可以看到初级端有MOSQ1,次极端有DiodeD1,在每一个周期ON/OFF时,由于半导体的特性,当打开或关闭时,都会有上升与下降的时间延迟,而在ON/OFF转态时,MOSQ1与DiodeD1会有一极短暂的时间是同时ON,此时就电路而言会产生很大的电流通过Q1、D1,于是在输出电压上产生杂讯,这同时也是EMI不良的凶手,一般的SMPS很难克服这问题,都是靠输出端再串一级L─C滤波(参见方块图),而且规范测试时,示波器频宽要小于20MHz,并且需要并联电容,这实在是不得已的。
(g).Hold-UpTime:
维持时间(mS),当AC输入电压OFF(关机、停电)时,输出电压维持正常的持续时间,通常标示为20mS/@115Vac,60HzFullLoad,该值是由输入电容与变压器的圈比来决定,电容越大维持时间越长。
(h).RiseTime:
输出上升时间(mS),输出电压从10%爬升到90%的时间,通常为50mS.
(i).PowerGoodSignal:
输出OK(mS),一般PC用到多组输出,为使各电路运作正常,于是需要于开机时,有一个齐步走的讯号,代表各个电压已完全正常。
该讯号的规格为;比+5V延迟100~500mS。
(j).PowerFailSignal:
输出Fail(mS),与PowerGood是同一个讯号PIN,当电源OFF时该讯号需提早归零,通知CPU电源已经OFF了,赶快将该存的资料存起来。
该讯号的规格为;比+5V提早1mSMin.
(k).Over-Shoot:
由于SMPS受限于振荡频率,对输出电压无法像Linear线路般随时监控着,于是当输出负载切换时(比如重载切轻载),输出电压会有一段盲点,出现往上冲的现象,定义往上冲多少就称为Over-Shoot,一般为5%。
(l).Under-Shoot:
如同Over-Shoot,输出电压在盲点时也会往下掉,定义往下掉多少就称为Under-Shoot,一般为5%。
(m).LineRegulation:
输入稳压率(%),当输入电压由最低(90Vac)变化到最高(135Vac),此时输出电压的变化率称为LineRegulation,例如:
输入电压90Vac时Vo=Vo90,输入电压115Vac时Vo=Vo115,输入电压135Vac时Vo=Vo135,取最大偏差值与115Vac比较时,算法如下
LineRegulation(%)=
Vo最大偏差值–Vo115
X100%
Vo115
*通常规格为1%
(n).LoadRegulation:
负载稳压率(%),当负载电流由最低(Min.Load)变化到最高(Max.Load),此时输出电压的变化率称为LoadRegulation,例如:
最低负载电流时Vo=VoML,最高负载电流时Vo=VoFL,算法如下
LoadRegulation(%)=
VoML(Min.Load)–VoFL(Max.Load)
X100%
VoFL(Max.Load)
*此时Min.Load的大小对负载稳压率的影响非常大,需要与客户密切的沟通,如果Min.Load标示太小,而LoadRegulation要求也要小,则势必要加上假负载在SMPS这一端,造成InputEfficiency又比较难符合。
*通常规格为±5%,但会随着输出的组数增多或选用的电路架构而不同
*测试的定义也会因各个厂家的习惯而不同
(o).CrossRegulation:
交互稳压率(%),当SMPS输出不只一组时,另外一组负载的轻与重会对本组输出造成影响,例如:
V1=+5V,V2=+12V,+12V的负载轻与重情况会造成+5V的输出变化,再加上+5V本身负载也有轻与重,于是产生4种组合情形,现仅算其中+5V本身于轻载时的算法如下
CrossRegulation(%)=
+5Vo(+12V@20%Load)–+5Vo(+12V@100%Load)
X100%
+5V(+12V@100%Load)
*通常规格定义各组负载变化=20%~100%FullLoad,由于输出越多则组合情形越多,生产时则选情况最差时的组合条件来测
(p).CombineRegulation:
综合稳压率(%),将LineRegulation与LoadRegulation的条件同时加入SMPS测试,算法同上
(q).TransientRecoveryTime(TransientResponse):
当负载由规定的速度(A/uSec)变化某一个%FullLoad时,输出电压恢复稳定所需的时间,一般规格为250mSMax.
4.3.异常使用保护(Protection)
(a).OverVoltageProtection:
过电压保护,当输出电压上升到某一额定电压时,过电压保护电路即发生动作,使输出电压降到零或维持某一设定的值,达到保护SMPS的目的;一般规定过电压为正常电压的1.1~1.3倍。
(b).OverCurrent(Load)Protection:
过电流保护,当输出电流增加到某一设定值时,过电流保护电路即发生动作,使输出电流不再增加,甚或降到零或维持某一设定的值,达到保护SMPS的目的。
通常有加入该参数者,即需要加上定电流电路
(c).OverPowerProtection:
过功率保护,当输出瓦数增加到某一设定值时,过功率保护电路即发生动作,使输出瓦数不再增加,进而往下降直到降为零,达到保护SMPS的目的。
(d).OverTemperatureProtection:
过温度保护,当SMPS本身某一含有侦测温度电路的零件达到设定的温度时,即触发电路动作,使该SMPS停止输出,进而使温度下降,达到保护SMPS的目的。
4.4.操作环境要求(OperationEnvironment)
(a).Temperature:
全载情况下,可容许的操作温度范围,例如:
0℃~40℃
(b).Humility:
指该SMPS可容许的湿度环境,例如:
20%~85%RH
(c).Attitude:
指该SMPS可容许的相对高度,例如:
10000ft
(d).Vibration:
指该SMPS符合的震动条件,参见各厂家的要求。
(e).Shock:
指该SMPS符合的冲击条件,参见各厂家的要求。
(f).Cooling:
冷却方式,一般有:
●AirConvection(对流):
自然散热
●Conduction(传导):
以散热器帮忙散热
●AirForce(风扇):
以风扇吹
4.5.Safety(安规)及各国国家标准
(a).LeakageCurrent:
(漏电流)
指输入端对外壳的漏电流量,一般商业用为750uA,一般医疗安规为250uA,美国地区甚至要求100uA以下
(b).Hi-PotTest:
(耐高压测试)
●有接地的系统(ClassⅠ.)要求:
(1).初级(Primary)<=>次级(Secondary):
1500Vac/60秒
(2).初级(Primary)<=>接地(F.G.):
1500Vac/60秒
●无接地的系统(ClassⅡ.)要求:
(1).初级(Primary)<=>次级(Secondary):
3000Vac/60秒
(c).常见的安规LOGO如下:
●UL…………………………………….美国
●CSA…………………………………..加拿大
●TUV…………………………………..欧洲
●VDE……………………………………德国
●T-Mark………………………………..日本
●Semko/Nemko/Demko/Fimko…..北欧四国
●CE……………………………………..欧盟
4.6.EMIConduction(电磁传导)&Radiation(电磁辐射)
常见的EMI要求如下:
(a).FCC……………………………………美国
(b).CISPR………………………………欧盟
(c).VCCI……………………………….日本
(d).BCIQ……………………………….台湾商检局
4.7.MTBF(MeanTimeBeforeFailure)可靠度要求
常见的MTBF要求分为两种:
(a).根据MIL-STD-217计算预估寿命,一般公司在产品初期大多采用该方式。
(b).实际BURN-IN,根据取样数及不良品数,计算得到产品寿命值。
该方式应为最准确的方法,但重点是不良品的定义及测试值的取得,困难度非常高,不是一般公司可以做到的。
4.8.机构:
基本要求如下:
(a).外观形状…如MetalCase,OpenFrame,Plasticcase…,有无风扇,风扇气流量等。
(b).PCB尺寸、限高区标示
(c).输入、输出连线方式,使用厂牌型号等
(d).LABEL内容
(e).包装方式、运输方法、输往何方
4.9.名词解释:
(a).DirectOFFLine:
直接从市电取得供应电力,不需加任何电源变压器的装置
(b).PWMCircuit:
PulseWidthModulationCircuit,该电路的频率固定,当回授电路得知输出电压不足时,经由改变波宽大小而使输出电压恢复的电路称之。
(c).CurrentFoldback:
过电流保护的其中一种现象,当负载电流增加到转换点时,输出电流反折下降,并使输出电压降为零的保护动作称之。
(d).Crow-BarProtect:
撬杆式过电压保护,当输出电压超过某一预设位准时,输出端会快速被短路,而使输出电压变为零的一种过电压保护电路。
(e).SoftStart:
缓开机,是为一种电路控制方式,可防止SMPS于开机瞬间对输入端产生巨大的电流需求,得以顺利开机,一般在DC/DC上很需要这种电路控制方式,这样可以减低对输入端的负载效应。
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