SPS电源.doc

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：l 商业用（ 0 70 ）l 工业用 (-25 125 ) l 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：l 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l 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l 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. Switching Power Supply Building Blocks：Protection circuit i.e. : OCP or OVP辅助电路 i.e. 电路限制输入整流与滤波电路交换元件或开关输出整流与滤波电路隔离功率变压器RFI 滤波器 AC OUT输入/输出隔离 (Photo Coupler)PWM 控制线路稳压线路 (SHR)专有名词解释：aPWM：Pulse Width Modulator脉波宽度调变器bCCM：连续模式(一般设计都属于此模式)cDCM：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12VFig. 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1000VFig. 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DCDC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 (Free Running) ： 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-MOS Q1 ON时先存于主变压器T1的GAP中, N-MOS Q1 OFF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Q1 ON时先经由D1存于CHOKE L1中（T1没有GAP），Q1 OFF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. 2-63.3. 一般种类可分为：(a). AC to DC ( 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). DC to AC ( Inverter ) : 如笔记型电脑中背光板灯管用电源(c). DC to DC ( Converter ) : 如帛汉现有产品5V转 9V(d). AC to AC ( 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：l AC 或 DC 输入要求.(4.1).l AC 或 DC 输出要求.(4.2).l 异常使用保护 (Protection) .(4.3).l 操作环境要求 (Operation Environment) .(4.4).l Safety(安规)及各国国家标准.(4.5).l EMI Conduction (电磁传导) & Radiation（电磁辐射）(4.6).l MTBF (Mean Time Before Failure) 可靠度要求.(4.7).l 机构 .(4.8).l 名词解释 . (4.9).现分述如下：4.1. AC 或 DC 输入要求 :(a). Input Voltage Range : 输入电压范围（V），最低最高，例如：台湾、美国为90135 Vac ,欧洲、大陆则为180264 Vac .若为Universal 则为90264Vac。(b). Input Frequency : 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). Inrush Current : 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30A Max. ,而230Vac时60A Max.。(d). Max. Input Current : 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. Input Current (A) =输出瓦数X 100 %Vin Min. * Efficiency * Cos * 0.9* 该电流值被要求写在LABEL上。(e). Input Efficiency : 输入效率（），例如：输出瓦数5W, 输入瓦数10W,则效率510，即为50 。Input Efficiency (%) =输出瓦数X 100 %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（Cos）(f). AC Input Power Factor : 交流功率因数（Cos），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Cos0.707,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AC 115V时Cos0.6 ,AC 230V时Cos0.5 ,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Cos0.9 Min.,而被动式的Cos0.7 Typ.4.2. AC 或 DC 输出要求 :(a). Output Accuracy : 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 VI，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0 A.(d). Peak Load : 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1.21.5倍，视负载的产品而不同。例如传真机Ipeak为Io的5倍左右，External Hard Disk 为1.4倍左右。(e). Output Ripple : 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50mV Max.(f). Output Noise : 杂讯（mV），以前面SMPS架构中的Fly-Back为例，可以看到初级端有MOS Q1，次极端有Diode D1, 在每一个周期ONOFF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ONOFF转态时，MOS Q1与Diode D1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LC滤波（参见方块图），而且规范测试时，示波器频宽要小于20 MHz,并且需要并联电容，这实在是不得已的。(g). Hold-Up Time : 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20 mS / 115Vac,60Hz Full Load ,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). Rise Time : 输出上升时间（mS），输出电压从10爬升到90的时间，通常为50 mS.(i). Power Good Signal : 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100500 mS。(j). Power Fail Signal : 输出Fail（mS），与Power Good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1 mS Min.(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). Line Regulation : 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Line Regulation，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Line Regulation (%) =Vo最大偏差值 Vo115 X 100 %Vo115 通常规格为1 (n). Load Regulation : 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Load Regulation，例如：最低负载电流时Vo = Vo ML，最高负载电流时Vo = Vo FL，算法如下Load Regulation (%) =Vo ML (Min. Load) Vo FL (Max. Load)X 100 %Vo FL (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Load Regulation 要求也要小，则势必要加上假负载在SMPS这一端，造成 Input Efficiency 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). Cross Regulation : 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Cross Regulation (%) =+5Vo (+12V 20% Load) +5Vo (+12V 100% Load)X 100 %+5V (+12V 100% Load) 通常规格定义各组负载变化 20 100 Full Load，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). Combine Regulation : 综合稳压率（），将Line Regulation 与Load Regulation的条件同时加入SMPS测试，算法同上(q). Transient Recovery Time (Transient Response) : 当负载由规定的速度（AuSec）变化某一个 Full Load时，输出电压恢复稳定所需的时间，一般规格为 250 mS Max.4.3. 异常使用保护 (Protection)(a). Over Voltage Protection : 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1.11.3倍。(b). Over Current (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). Over Power Protection : 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). Over Temperature Protection : 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 (Operation Environment)(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：2085 RH(c). Attitude ： 指该SMPS可容许的相对高度，例如：10000 ft(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：l Air Convection (对流) : 自然散热l Conduction（传导）: 以散热器帮忙散热l Air Force （风扇）: 以风扇吹4.5. Safety(安规)及各国国家标准(a). Leakage Current : （漏电流）指输入端对外壳的漏电流量,一般商业用为 750 uA, 一般医疗安规为250 uA,美国地区甚至要求100 uA 以下(b). Hi-Pot Test : （耐高压测试）l 有接地的系统(Class .) 要求：(1). 初级 (Primary) 次级 (Secondary) : 1500 Vac / 60 秒(2). 初级 (Primary) 接地 (F.G.) : 1500 Vac / 60 秒l 无接地的系统(Class .) 要求：(1). 初级 (Primary) 次级 (Secondary) : 3000 Vac / 60 秒(c). 常见的安规LOGO 如下：l UL . 美国l CSA . 加拿大l TUV . 欧洲l VDE 德国l T-Mark .日本l Semko / Nemko / Demko /Fimko .北欧四国l CE .欧盟4.6. EMI Conduction (电磁传导) & Radiation（电磁辐射）常见的EMI 要求如下：(a). FCC