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交換式電源供應器基本概念Page-1-1.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.Switching Power Supply Building Blocks：AC OUT 專有名詞解釋：aPWM：Pulse Width Modulator脈波寬度調變器bCCM：連續模式(一般設計都屬於此模式)cDCM：不連續模式3.SPS 常用之架構和種類:RFI 濾波器輸入整流與濾波電路交換元件或開關隔離功率變壓器輸出整流與濾波電路PWM 控制線路輸入/輸出隔離(Photo Coupler)穩壓線路(SHR)Protection circuit i.e.:OCP or OVP 輔助電路i.e.電路限制交換式電源供應器基本概念Page-2-3.1.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兩種交換式電源供應器基本概念Page-3-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 (Free Running)：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-MOS Q1 ON時先存於主變壓器T1 的 GAP 中,N-MOS Q1 OFF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。交換式電源供應器基本概念Page-4-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 Q1 ON時先經由 D1存於 CHOKE L1 中（T1 沒有 GAP），Q1 OFF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。交換式電源供應器基本概念Page-5-Fig.2-6 3.3.一般種類可分為：(a).AC to DC(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).DC to AC(Inverter):如筆記型電腦中背光板燈管用電源(c).DC to DC(Converter):如帛漢現有產品5V轉 9V(d).AC to AC(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 (Operation Environment).(4.4).Safety(安規)及各國國家標準.(4.5).EMI Conduction(電磁傳導)&Radiation（電磁輻射）(4.6).MTBF(Mean Time Before Failure)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).Input Voltage Range:輸入電壓範圍（V），最低最高，例如：台灣、美國為90135 Vac,歐洲、大陸則為180264 Vac.若為 Universal 則為 90264Vac。(b).Input Frequency: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).Inrush Current: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，通常交換式電源供應器基本概念Page-6-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 30A Max.,而230Vac 時60A Max.。(d).Max.Input Current: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.Input Current(A)=輸出瓦數X 100%Vin Min.*Efficiency*Cos*0.9*該電流值被要求寫在LABEL上。(e).Input Efficiency:輸入效率（），例如：輸出瓦數5W,輸入瓦數 10W,則效率 510，即為 50。Input Efficiency(%)=輸出瓦數X 100%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（Cos）(f).AC Input Power Factor:交流功率因數（Cos），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 Cos0.707,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 AC 115V時 Cos0.6,AC 230V時 Cos 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 Cos0.9 Min.,而被動式的Cos0.7 Typ.4.2.AC 或 DC 輸出要求 :(a).Output Accuracy: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 VI，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交換式電源供應器基本概念Page-7-10W.(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 0 A.(d).Peak Load: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，External Hard Disk 為 1.4 倍左右。(e).Output Ripple: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50mV Max.(f).Output Noise:雜訊（mV），以前面SMPS 架構中的 Fly-Back為例，可以看到初級端有MOS Q1，次極端有 Diode D1,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，MOS Q1 與 Diode D1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LC濾波（參見方塊圖），而且規範測試時，示波器頻寬要小於20 MHz,並且需要並聯電容，這實在是不得已的。(g).Hold-Up Time: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20 mS/115Vac,60Hz Full Load,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).Rise Time:輸出上升時間（mS），輸出電壓從10爬升到 90的時間，通常為50 mS.(i).Power Good Signal: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 100500 mS。(j).Power Fail Signal:輸出 Fail（mS），與 Power Good 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 1 mS Min.(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 交換式電源供應器基本概念Page-8-Shoot，一般為 5。(m).Line Regulation: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Line Regulation，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Line Regulation(%)=Vo 最大偏差值 Vo115 X 100%Vo115 通常規格為1(n).Load Regulation: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Load Regulation，例如：最低負載電流時Vo=Vo ML，最高負載電流時Vo=Vo FL，算法如下Load Regulation(%)=Vo ML(Min.Load)Vo FL(Max.Load)X 100%Vo FL(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Load Regulation 要求也要小，則勢必要加上假負載在SMPS 這一端，造成 Input Efficiency 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).Cross Regulation: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Cross Regulation(%)=+5Vo(+12V 20%Load)+5Vo(+12V 100%Load)X 100%+5V(+12V 100%Load)通常規格定義各組負載變化 20 100 Full Load，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).Combine Regulation:綜合穩壓率（），將Line Regulation 與 Load Regulation的條件同時加入 SMPS 測試，算法同上交換式電源供應器基本概念Page-9-(q).Transient Recovery Time(Transient Response):當負載由規定的速度（AuSec）變化某一個 Full Load時，輸出電壓恢復穩定所需的時間，一般規格為 250 mS Max.4.3.異常使用保護 (Protection)(a).Over Voltage Protection: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).Over Current(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).Over Power Protection: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).Over Temperature Protection: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 (Operation Environment)(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：10000 ft(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：Air Convection(對流):自然散熱 Conduction（傳導）:以散熱器幫忙散熱 Air Force（風扇）:以風扇吹4.5.Safety(安規)及各國國家標準(a).Leakage Current:（漏電流）指輸入端對外殼的漏電流量,一般商業用為 750 uA,一般醫療安規為250 uA,美國地區甚至要求100 uA 以下(b).Hi-Pot Test:（耐高壓測試）有接地的系統(Class.)要求：(1).初級 (Primary)次級(Secondary):1500 Vac/60 秒(2).初級 (Primary)接地(F.G.):1500 Vac/60 秒交換式電源供應器基本概念Page-10-無接地的系統(Class.)要求：(1).初級 (Primary)次級(Secondary):3000 Vac/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.EMI Conduction(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(Mean Time Before Failure)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 Metal Case,Open Frame,Plastic case,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).Direct OFF Line: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).PWM Circuit：Pulse Width Modulation Circuit，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).Current Fold back: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-Bar Protect:撬桿式過電壓保護，當輸出電壓超過某一預設位準時，輸出端會快速被短交換式電源供應器基本概念Page-11-路，而使輸出電壓變為零的一種過電壓保護電路。(e).Soft Start: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。