交换式电源基本概念.docx

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交换式电源基本概念

1.SPS之用途：

我們先以日常生活中會用到的電器用品來說明，清早起來打開電子式日光燈或電子式檯燈，刷牙時，充電式電動牙刷之充電器，用遙控器打開電視機看新聞，用電磁爐或微波爐加熱早餐，出門搭電梯下樓，進入辦公室時，放眼望去每一種需插電的事務機器，電話、傳真。

。

。

，大致可以說需用到電的產品，就是SMPS的可能用途。

所需的規格要求及線路架構則隨使用場所，價格上會有極大差異。

以一般我們選用的電子零件，其溫度範圍就可分為：

●商業用（0～70℃）

●工業用（-25～125℃）

●軍事用（-40～125℃）

而SPS也會因為使用的周圍環境溫度範圍，而區分不同的等級：

●商業用（0～40℃）------一般日常生活所接觸到的電器用品，如電腦、影印機所使用者

●工業用（-20～71℃）------工業產品所使用的POWER，如SMD機器、CNC機器中的POWER即是

●軍事用（-40～125℃）------軍事用途，如飛彈、戰艦、坦克中所用到的POWER

不同的溫度範圍，所選用的零件就不相同，其價格當然也不同

2.SwitchingPowerSupplyBuildingBlocks：

ACOUT

專有名詞解釋：

a﹒PWM：

PulseWidthModulator脈波寬度調變器

b﹒CCM：

連續模式（一般設計都屬於此模式）

c﹒DCM：

不連續模式

3.SPS常用之架構和種類:

3.1.依輸出/輸入使用的電壓高低可分為：

（適用於非隔離的環境＊）

＊所謂非隔離的環境：

如同下列所提的環境，都是自己形成一個系統，輸入與輸出共地，不會與其他的系統連線，而且接地良好，不會對使用者有漏電的危險，例如其中所提的系統輸入都屬於低電壓輸入，而且使用者接觸的機殼都是接地（GROUND），沒有被電到的危險。

（a）.降壓式（Buck）:

輸入比輸出高,例如卡車之車用冰箱中的POWER將24V轉12V

Fig.2-1

（b）.升壓式（Boost）:

輸入比輸出低，例如電擊棒將電池電壓9V升高為1000V

Fig.2-2

（c）.降升壓式（Buck-Boost）:

輸入比輸出低或高,例如汽車充電器充筆記型電腦19V電池，而汽車電池有轎車12V及卡車24V兩種

Fig.2-3

（線路動作原理請參見相關SPS基本原理說明）

3.2.一般常用架構可分為：

（適用於需隔離的環境＊）

＊所謂需隔離的環境：

用專業術語來說就是──輸入與輸出不共地，例如帛漢的DC／DC使用於網路卡，而網路連線就是一個典型的隔離環境，因為兩部電腦的輸入接地不一定相同（插頭不一定插同一方向），如果使用非隔離的電源，將會天下大亂，而且會有因兩部電腦地的電位不同，造成兩部電腦間大電流流動，而使保險絲燒毀。

（a）.自激式（FreeRunning）：

0.5W～50W

自激式一般稱為RCC線路，是返馳式的其中一種架構，其震盪頻率隨負載而變：

輕載時振盪頻率高，重載時震盪頻率低。

（b）.返馳式（Fly-Back）:

3W～200W

在此將其定義為常見的定頻式PWM（脈波寬度調變式）架構，其脈波寬度隨負載而變：

輕載時脈波寬度窄，重載時脈波寬度寬。

能量轉移是靠N-MOSQ1ON時先存於主變壓器T1的GAP中,N-MOSQ1OFF時，主變壓器的能量，經由D1傳到輸出電容C1。

而Rs則是用來偵測輸出瓦數，達到保護的目的。

Fig.2-4

（c）.順向式（Forward）：

60W～300W

順向式（Forward）的動作原理與返馳式（Fly-Back）接近，唯其能量是於Q1ON時先經由D1存於CHOKEL1中（T1沒有GAP），Q1OFF時，L1的能量經由D2傳到輸出電容C1。

注意T1的磁滯曲線只在第一相限活動。

Fig.2-5

（d）.推挽式（Push-Pull）：

150W～600W（Half-Bridge）

600W以上（Half-Bridge）

推挽式（Push-Pull）的動作原理則又與前饋式（Forward）接近，只是T1的磁滯曲線則在第1＆3相限活動。

Fig.2-6

3.3.一般種類可分為：

（a）.ACtoDC（Adapter）:

常用於日常生活中，如計算機、筆記型電腦、無線電話機、充電器…

（b）.DCtoAC（Inverter）:

如筆記型電腦中背光板燈管用電源

（c）.DCtoDC（Converter）:

如帛漢現有產品5V轉9V

（d）.ACtoAC（Converter）:

如變頻器、電子式安定器……

4.常見之規格內容及名詞解釋：

一般規格區分為以下內容：

●AC或DC輸入要求……………………………….………….（4.1）.

●AC或DC輸出要求………………………………………....（4.2）.

●異常使用保護（Protection）……………………………….（4.3）.

●操作環境要求（OperationEnvironment）………………..（4.4）.

●Safety（安規）及各國國家標準……………………………….（4.5）.

●EMIConduction（電磁傳導）&Radiation（電磁輻射）…（4.6）.

●MTBF（MeanTimeBeforeFailure）可靠度要求………….（4.7）.

●機構…………………………………………………………..（4.8）.

●名詞解釋…………………………………………………….（4.9）.

現分述如下：

4.1.AC或DC輸入要求:

（a）.InputVoltageRange:

輸入電壓範圍（V），最低～最高，例如：

台灣、美國為90～135Vac,歐洲、大陸則為180～264Vac.若為Universal則為90～264Vac。

（b）.InputFrequency:

輸入AC電源的頻率（Hz），視各國發電機系統而定，例如：

日本為50Hz,台灣為60Hz，歐洲、大陸為50Hz。

（c）.InrushCurrent:

輸入突波電流（A），指開機瞬間或剛插插頭時，流過電源線的尖波電流，通常於冷開機狀態下測得為標準。

造成的原因是SMPS輸入端有電容，開機瞬間電容需要充電而形成類似短路，於是產生尖波電流，需要於輸入回路加入熱敏電阻予以限制，否則會造成斷路器跳脫。

一般要求：

115Vac時＝30AMax.,而230Vac時＝60AMax.。

（d）.Max.InputCurrent:

最大輸入電流（A），出現於最低輸入電壓時，通常加入10％誤差。

算法為：

Max.InputCurrent（A）=

輸出瓦數

X100%

VinMin.*Efficiency*Cosθ*0.9

*該電流值被要求寫在LABEL上。

（e）.InputEfficiency:

輸入效率（％），例如：

輸出瓦數＝5W,輸入瓦數＝10W,則效率＝5／10，即為50％。

InputEfficiency（%）=

輸出瓦數

X100%

輸入瓦數

＊輸入瓦數係從瓦特表讀到的實功率值，不含功率因數的虛功率（Cosθ）

（f）.ACInputPowerFactor:

交流功率因數（Cosθ），表示輸入電壓與電流的相位差，一般SMPS的輸入阻抗為電容性（因輸入有一個大電容），電壓波形將落後電流波形，而馬達類產品則呈現電感性，電壓波形將超前電流波形；這種使電壓與電流不同相位，將對發電廠造成虛功率，其值的大小為該相位差角度取Cos值，例如：

有一部SMPS使AC輸入電壓波形落後電流波形45°，則Cosθ＝0.707,表示若發電廠供應100瓦交流電力（電表讀到）給該SMPS，則實際功率只有70.7瓦，如果該SMPS的效率為50％，則輸出端得到的功率輸出為35.35瓦，意思就是說當我們於該SMPS輸出端負載35.35瓦，對發電廠來說是100瓦的負載（電表讀到）。

而一般未加功率因數補償的SMPS，在AC115V時Cosθ＝0.6,AC230V時Cosθ＝0.5,甚至更低，不難想像為何歐洲要要求SMPS加入功率因數補償線路。

附註：

功率因數補償線路分為主動式（Active）與被動式（Pasive），主動式的Cosθ＝0.9Min.,而被動式的Cosθ＝0.7Typ.

4.2.AC或DC輸出要求:

（a）.OutputAccuracy:

輸出電壓容許誤差值（％），一般為5％，輸出電壓簡稱Vo

（b）.Max.Load:

最大輸出負載電流（A），亦即為該SMPS設計的最大輸出瓦數，因為P＝V＊I，例如：

一部5V的SMPS，標示最大輸出負載電流Io＝2A,即表示最大持續輸出瓦數＝10W.

（c）.Min.Load:

最小輸出負載電流（A），標示最小的輸出負載電流，表示該SMPS為維持輸出電壓穩定，所需的最小輸出電流，Adapter的Min.Load為0A.

（d）.PeakLoad:

短時間輸出負載電流（A），簡稱：

Ipeak，表示該SMPS可允許短時間的輸出負載電流，通常時間為30秒，而負載為Max.Load的1.2～1.5倍，視負載的產品而不同。

例如傳真機Ipeak為Io的5倍左右，ExternalHardDisk為1.4倍左右。

（e）.OutputRipple:

漣波（mV），由於SMPS本身是靠連續不停的振盪，有一個基本震盪頻率，每一個週期都有ON與OFF，輸出電容不停的充放電，於是輸出電壓上就重疊著一個交流的成分，稱為漣波。

該漣波隨負載大小而變,一般為輸出電壓值的1％，例如：

5V輸出時，漣波規格為50mVMax.

（f）.OutputNoise:

雜訊（mV），以前面SMPS架構中的Fly-Back為例，可以看到初級端有MOSQ1，次極端有DiodeD1,在每一個週期ON／OFF時，由於半導體的特性，當打開或關閉時，都會有上升與下降的時間延遲，而在ON／OFF轉態時，MOSQ1與DiodeD1會有一極短暫的時間是同時ON，此時就電路而言會產生很大的電流通過Q1、D1，於是在輸出電壓上產生雜訊，這同時也是EMI不良的兇手，一般的SMPS很難克服這問題，都是靠輸出端再串一級L─C濾波（參見方塊圖），而且規範測試時，示波器頻寬要小於20MHz,並且需要並聯電容，這實在是不得已的。

（g）.Hold-UpTime:

維持時間（mS），當AC輸入電壓OFF（關機、停電）時，輸出電壓維持正常的持續時間，通常標示為20mS/@115Vac,60HzFullLoad,該值是由輸入電容與變壓器的圈比來決定，電容越大維持時間越長。

（h）.RiseTime:

輸出上升時間（mS），輸出電壓從10％爬升到90％的時間，通常為50mS.

（i）.PowerGoodSignal:

輸出OK（mS），一般PC用到多組輸出，為使各電路運作正常，於是需要於開機時，有一個齊步走的訊號，代表各個電壓已完全正常。

該訊號的規格為；比＋5V延遲100～500mS。

（j）.PowerFailSignal:

輸出Fail（mS），與PowerGood是同一個訊號PIN，當電源OFF時該訊號需提早歸零，通知CPU電源已經OFF了，趕快將該存的資料存起來。

該訊號的規格為；比＋5V提早1mSMin.

（k）.Over-Shoot:

由於SMPS受限於振盪頻率，對輸出電壓無法像Linear線路般隨時監控著，於是當輸出負載切換時（比如重載切輕載），輸出電壓會有一段盲點，出現往上衝的現象，定義往上衝多少就稱為Over-Shoot，一般為5％。

（l）.Under-Shoot:

如同Over-Shoot，輸出電壓在盲點時也會往下掉，定義往下掉多少就稱為Under-Shoot，一般為5％。

（m）.LineRegulation:

輸入穩壓率（％），當輸入電壓由最低（90Vac）變化到最高（135Vac），此時輸出電壓的變化率稱為LineRegulation，例如：

輸入電壓90Vac時Vo=Vo90,輸入電壓115Vac時Vo=Vo115,輸入電壓135Vac時Vo=Vo135，取最大偏差值與115Vac比較時，算法如下

LineRegulation（%）=

Vo最大偏差值–Vo115

X100%

Vo115

＊通常規格為1％

（n）.LoadRegulation:

負載穩壓率（％），當負載電流由最低（Min.Load）變化到最高（Max.Load），此時輸出電壓的變化率稱為LoadRegulation，例如：

最低負載電流時Vo=VoML，最高負載電流時Vo=VoFL，算法如下

LoadRegulation（%）=

VoML（Min.Load）–VoFL（Max.Load）

X100%

VoFL（Max.Load）

＊此時Min.Load的大小對負載穩壓率的影響非常大，需要與客戶密切的溝通，如果Min.Load標示太小，而LoadRegulation要求也要小，則勢必要加上假負載在SMPS這一端，造成InputEfficiency又比較難符合。

＊通常規格為±5％，但會隨著輸出的組數增多或選用的電路架構而不同

＊測試的定義也會因各個廠家的習慣而不同

（o）.CrossRegulation:

交互穩壓率（％），當SMPS輸出不只一組時，另外一組負載的輕與重會對本組輸出造成影響，例如：

V1=+5V,V2=+12V，+12V的負載輕與重情況會造成+5V的輸出變化，再加上+5V本身負載也有輕與重，於是產生4種組合情形，現僅算其中+5V本身於輕載時的算法如下

CrossRegulation（%）=

+5Vo（+12V@20%Load）–+5Vo（+12V@100%Load）

X100%

+5V（+12V@100%Load）

＊通常規格定義各組負載變化＝20％～100％FullLoad，由於輸出越多則組合情形越多，生產時則選情況最差時的組合條件來測

（p）.CombineRegulation:

綜合穩壓率（％），將LineRegulation與LoadRegulation的條件同時加入SMPS測試，算法同上

（q）.TransientRecoveryTime（TransientResponse）:

當負載由規定的速度（A／uSec）變化某一個％FullLoad時，輸出電壓恢復穩定所需的時間，一般規格為250mSMax.

4.3.異常使用保護（Protection）

（a）.OverVoltageProtection:

過電壓保護，當輸出電壓上升到某一額定電壓時，過電壓保護電路即發生動作，使輸出電壓降到零或維持某一設定的值，達到保護SMPS的目的；一般規定過電壓為正常電壓的1.1～1.3倍。

（b）.OverCurrent（Load）Protection:

過電流保護，當輸出電流增加到某一設定值時，過電流保護電路即發生動作，使輸出電流不再增加，甚或降到零或維持某一設定的值，達到保護SMPS的目的。

通常有加入該參數者，即需要加上定電流電路

（c）.OverPowerProtection:

過功率保護，當輸出瓦數增加到某一設定值時，過功率保護電路即發生動作，使輸出瓦數不再增加，進而往下降直到降為零，達到保護SMPS的目的。

（d）.OverTemperatureProtection:

過溫度保護，當SMPS本身某一含有偵測溫度電路的零件達到設定的溫度時，即觸發電路動作，使該SMPS停止輸出，進而使溫度下降，達到保護SMPS的目的。

4.4.操作環境要求（OperationEnvironment）

（a）.Temperature:

全載情況下，可容許的操作溫度範圍，例如：

0℃～40℃

（b）.Humility：

指該SMPS可容許的濕度環境，例如：

20％～85％RH

（c）.Attitude：

指該SMPS可容許的相對高度，例如：

10000ft

（d）.Vibration:

指該SMPS符合的震動條件，參見各廠家的要求。

（e）.Shock:

指該SMPS符合的衝擊條件，參見各廠家的要求。

（f）.Cooling:

冷卻方式，一般有：

●AirConvection（對流）:

自然散熱

●Conduction（傳導）:

以散熱器幫忙散熱

●AirForce（風扇）:

以風扇吹

4.5.Safety（安規）及各國國家標準

（a）.LeakageCurrent:

（漏電流）

指輸入端對外殼的漏電流量,一般商業用為750uA,一般醫療安規為250uA,美國地區甚至要求100uA以下

（b）.Hi-PotTest:

（耐高壓測試）

●有接地的系統（ClassⅠ.）要求：

（1）.初級（Primary）<=>次級（Secondary）:

1500Vac/60秒

（2）.初級（Primary）<=>接地（F.G.）:

1500Vac/60秒

●無接地的系統（ClassⅡ.）要求：

（1）.初級（Primary）<=>次級（Secondary）:

3000Vac/60秒

（c）.常見的安規LOGO如下：

●UL…………………………………….美國

●CSA…………………………………..加拿大

●TUV…………………………………..歐洲

●VDE……………………………………德國

●T-Mark………………………………..日本

●Semko/Nemko/Demko/Fimko…..北歐四國

●CE……………………………………..歐盟

4.6.EMIConduction（電磁傳導）&Radiation（電磁輻射）

常見的EMI要求如下：

（a）.FCC……………………………………美國

（b）.CISPR………………………………歐盟

（c）.VCCI……………………………….日本

（d）.BCIQ……………………………….台灣商檢局

4.7.MTBF（MeanTimeBeforeFailure）可靠度要求

常見的MTBF要求分為兩種：

（a）.根據MIL-STD-217計算預估壽命，一般公司在產品初期大多採用該方式。

（b）.實際BURN-IN，根據取樣數及不良品數，計算得到產品壽命值。

該方式應為最準確的方法，但重點是不良品的定義及測試值的取得，困難度非常高，不是一般公司可以做到的。

4.8.機構：

基本要求如下：

（a）.外觀形狀…如MetalCase,OpenFrame,Plasticcase…,有無風扇，風扇氣流量等。

（b）.PCB尺寸、限高區標示

（c）.輸入、輸出連線方式，使用廠牌型號等

（d）.LABEL內容

（e）.包裝方式、運輸方法、輸往何方

4.9.名詞解釋：

（a）.DirectOFFLine:

直接從市電取得供應電力，不需加任何電源變壓器的裝置

（b）.PWMCircuit：

PulseWidthModulationCircuit，該電路的頻率固定，當回授電路得知輸出電壓不足時，經由改變波寬大小而使輸出電壓恢復的電路稱之。

（c）.CurrentFoldback:

過電流保護的其中一種現象，當負載電流增加到轉換點時，輸出電流反折下降，並使輸出電壓降為零的保護動作稱之。

（d）.Crow-BarProtect:

撬桿式過電壓保護，當輸出電壓超過某一預設位準時，輸出端會快速被短路，而使輸出電壓變為零的一種過電壓保護電路。

（e）.SoftStart:

緩開機，是為一種電路控制方式，可防止SMPS於開機瞬間對輸入端產生巨大的電流需求，得以順利開機，一般在DC／DC上很需要這種電路控制方式，這樣可以減低對輸入端的負載效應。