SPS電源.doc

1. SPS之用途：我們先以日常生活中會(huì)用到的電器用品來(lái)說(shuō)明，清早起來(lái)打開電子式日光燈或電子式臺(tái)燈，刷牙時(shí)，充電式電動(dòng)牙刷之充電器，用遙控器打開電視機(jī)看新聞，用電磁爐或微波爐加熱早餐，出門搭電梯下樓，進(jìn)入辦公室時(shí)，放眼望去每一種需插電的事務(wù)機(jī)器，電話、傳真。，大致可以說(shuō)需用到電的產(chǎn)品，就是SMPS的可能用途。所需的規(guī)格要求及線路架構(gòu)則隨使用場(chǎng)所，價(jià)格上會(huì)有極大差異。以一般我們選用的電子零件，其溫度范圍就可分為：l 商業(yè)用（ 0 70 ）l 工業(yè)用 (-25 125 ) l 軍事用 (-40 125 ) 而SPS也會(huì)因?yàn)槭褂玫闹車h(huán)境溫度范圍，而區(qū)分不同的等級(jí)：l 商業(yè)用（ 0 40 ）- 一般日常生活所接觸到的電器用品，如電腦、影印機(jī)所使用者l 工業(yè)用 (-20 71 ) - 工業(yè)產(chǎn)品所使用的POWER，如SMD機(jī)器、CNC機(jī)器中的POWER即是l 軍事用 (-40 125 ) - 軍事用途，如飛彈、戰(zhàn)艦、坦克中所用到的POWER不同的溫度范圍，所選用的零件就不相同，其價(jià)格當(dāng)然也不同2. Switching Power Supply Building Blocks：Protection circuit i.e. : OCP or OVP輔助電路 i.e. 電路限制輸入整流與濾波電路交換元件或開關(guān)輸出整流與濾波電路隔離功率變壓器RFI 濾波器 AC OUT輸入/輸出隔離 (Photo Coupler)PWM 控制線路穩(wěn)壓線路 (SHR)專有名詞解釋：aPWM：Pulse Width Modulator脈波寬度調(diào)變器bCCM：連續(xù)模式(一般設(shè)計(jì)都屬于此模式)cDCM：不連續(xù)模式3. SPS 常用之架構(gòu)和種類 :3.1. 依輸出 / 輸入使用的電壓高低可分為：（適用于非隔離的環(huán)境 ） 所謂非隔離的環(huán)境：如同下列所提的環(huán)境，都是自己形成一個(gè)系統(tǒng)，輸入與輸出共地，不會(huì)與其他的系統(tǒng)連線，而且接地良好，不會(huì)對(duì)使用者有漏電的危險(xiǎn)，例如其中所提的系統(tǒng)輸入都屬于低電壓輸入，而且使用者接觸的機(jī)殼都是接地（GROUND），沒(méi)有被電到的危險(xiǎn)。(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(zhuǎn)12VFig. 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1000VFig. 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(dòng)作原理請(qǐng)參見相關(guān)SPS基本原理說(shuō)明）3.2. 一般常用架構(gòu)可分為：(適用于需隔離的環(huán)境 ) 所謂需隔離的環(huán)境：用專業(yè)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)就是輸入與輸出不共地，例如帛漢的DCDC使用于網(wǎng)路卡，而網(wǎng)路連線就是一個(gè)典型的隔離環(huán)境，因?yàn)閮刹侩娔X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(huì)天下大亂，而且會(huì)有因兩部電腦地的電位不同，造成兩部電腦間大電流流動(dòng)，而使保險(xiǎn)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(gòu)，其震蕩頻率隨負(fù)載而變：輕載時(shí)振蕩頻率高，重載時(shí)震蕩頻率低。(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(diào)變式）架構(gòu)，其脈波寬度隨負(fù)載而變：輕載時(shí)脈波寬度窄，重載時(shí)脈波寬度寬。能量轉(zhuǎn)移是靠N-MOS Q1 ON時(shí)先存于主變壓器T1的GAP中, N-MOS Q1 OFF時(shí)，主變壓器的能量，經(jīng)由D1傳到輸出電容C1。而Rs則是用來(lái)偵測(cè)輸出瓦數(shù)，達(dá)到保護(hù)的目的。Fig. 2-4(c). 順向式 (Forward) ： 60W 300W順向式 (Forward) 的動(dòng)作原理與返馳式 (Fly-Back) 接近，唯其能量是于Q1 ON時(shí)先經(jīng)由D1存于CHOKE L1中（T1沒(méi)有GAP），Q1 OFF時(shí)，L1的能量經(jīng)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(dòng)。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(dòng)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(dòng)。Fig. 2-63.3. 一般種類可分為：(a). AC to DC ( Adapter ) : 常用于日常生活中，如計(jì)算機(jī)、筆記型電腦、無(wú)線電話機(jī)、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(xiàn)有產(chǎn)品5V轉(zhuǎn) 9V(d). AC to AC ( Converter ) : 如變頻器、電子式安定器4. 常見之規(guī)格內(nèi)容及名詞解釋：一般規(guī)格區(qū)分為以下內(nèi)容：l AC 或 DC 輸入要求.(4.1).l AC 或 DC 輸出要求.(4.2).l 異常使用保護(hù) (Protection) .(4.3).l 操作環(huán)境要求 (Operation Environment) .(4.4).l Safety(安規(guī))及各國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).(4.5).l EMI Conduction (電磁傳導(dǎo)) & Radiation（電磁輻射）(4.6).l MTBF (Mean Time Before Failure) 可靠度要求.(4.7).l 機(jī)構(gòu) .(4.8).l 名詞解釋 . (4.9).現(xiàn)分述如下：4.1. AC 或 DC 輸入要求 :(a). Input Voltage Range : 輸入電壓范圍（V），最低最高，例如：臺(tái)灣、美國(guó)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(guó)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)而定，例如：日本為50Hz ,臺(tái)灣為60Hz，歐洲、大陸為50Hz。(c). Inrush Current : 輸入突波電流（A），指開機(jī)瞬間或剛插插頭時(shí)，流過(guò)電源線的尖波電流，通常于冷開機(jī)狀態(tài)下測(cè)得為標(biāo)準(zhǔn)。造成的原因是SMPS輸入端有電容，開機(jī)瞬間電容需要充電而形成類似短路，于是產(chǎn)生尖波電流，需要于輸入回路加入熱敏電阻予以限制，否則會(huì)造成斷路器跳脫。一般要求：115Vac時(shí)30A Max. ,而230Vac時(shí)60A Max.。(d). Max. Input Current : 最大輸入電流（A），出現(xiàn)于最低輸入電壓時(shí)，通常加入10 誤差。算法為：Max. Input Current (A) =輸出瓦數(shù)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(shù)5W, 輸入瓦數(shù)10W,則效率510，即為50 。Input Efficiency (%) =輸出瓦數(shù)X 100 %輸入瓦數(shù) 輸入瓦數(shù)系從瓦特表讀到的實(shí)功率值，不含功率因數(shù)的虛功率（Cos）(f). AC Input Power Factor : 交流功率因數(shù)（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(gè)大電容），電壓波形將落后電流波形，而馬達(dá)類產(chǎn)品則呈現(xiàn)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(duì)發(fā)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輸入電壓波形落后電流波形45，則Cos0.707,表示若發(fā)電廠供應(yīng)100瓦交流電力（電表讀到）給該SMPS，則實(shí)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(shuō)當(dāng)我們于該SMPS輸出端負(fù)載35.35瓦，對(duì)發(fā)電廠來(lái)說(shuō)是100瓦的負(fù)載（電表讀到）。而一般未加功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)腟MPS，在AC 115V時(shí)Cos0.6 ,AC 230V時(shí)Cos0.5 ,甚至更低，不難想像為何歐洲要要求SMPS加入功率因數(shù)補(bǔ)償線路。附注：功率因數(shù)補(bǔ)償線路分為主動(dòng)式（Active）與被動(dòng)式 (Pasive)，主動(dòng)式的Cos0.9 Min.,而被動(dòng)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(jiǎn)稱 Vo(b). Max. Load : 最大輸出負(fù)載電流（A），亦即為該SMPS設(shè)計(jì)的最大輸出瓦數(shù)，因?yàn)镻 VI，例如：一部5V的SMPS，標(biāo)示最大輸出負(fù)載電流 Io 2A,即表示最大持續(xù)輸出瓦數(shù)10W.(c). Min. Load : 最小輸出負(fù)載電流（A），標(biāo)示最小的輸出負(fù)載電流，表示該SMPS為維持輸出電壓穩(wěn)定，所需的最小輸出電流，Adapter的Min. Load為0 A.(d). Peak Load : 短時(shí)間輸出負(fù)載電流（A），簡(jiǎn)稱：Ipeak，表示該SMPS可允許短時(shí)間的輸出負(fù)載電流，通常時(shí)間為30秒，而負(fù)載為Max. Load的1.21.5倍，視負(fù)載的產(chǎn)品而不同。例如傳真機(jī)Ipeak為Io的5倍左右，External Hard Disk 為1.4倍左右。(e). Output Ripple : 漣波（mV），由于SMPS本身是靠連續(xù)不停的振蕩，有一個(gè)基本震蕩頻率，每一個(gè)周期都有ON與OFF，輸出電容不停的充放電，于是輸出電壓上就重疊著一個(gè)交流的成分，稱為漣波。該漣波隨負(fù)載大小而變,一般為輸出電壓值的1，例如：5V輸出時(shí)，漣波規(guī)格為50mV Max.(f). Output Noise : 雜訊（mV），以前面SMPS架構(gòu)中的Fly-Back為例，可以看到初級(jí)端有MOS Q1，次極端有Diode D1, 在每一個(gè)周期ONOFF時(shí)，由于半導(dǎo)體的特性，當(dāng)打開或關(guān)閉時(shí)，都會(huì)有上升與下降的時(shí)間延遲，而在ONOFF轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)，MOS Q1與Diode D1會(huì)有一極短暫的時(shí)間是同時(shí)ON，此時(shí)就電路而言會(huì)產(chǎn)生很大的電流通過(guò)Q1、D1，于是在輸出電壓上產(chǎn)生雜訊，這同時(shí)也是EMI不良的兇手，一般的SMPS很難克服這問(wèn)題，都是靠輸出端再串一級(jí)LC濾波（參見方塊圖），而且規(guī)范測(cè)試時(shí)，示波器頻寬要小于20 MHz,并且需要并聯(lián)電容，這實(shí)在是不得已的。(g). Hold-Up Time : 維持時(shí)間（mS），當(dāng)AC輸入電壓OFF（關(guān)機(jī)、停電）時(shí)，輸出電壓維持正常的持續(xù)時(shí)間，通常標(biāo)示為20 mS / 115Vac,60Hz Full Load ,該值是由輸入電容與變壓器的圈比來(lái)決定，電容越大維持時(shí)間越長(zhǎng)。(h). Rise Time : 輸出上升時(shí)間（mS），輸出電壓從10爬升到90的時(shí)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(yùn)作正常，于是需要于開機(jī)時(shí)，有一個(gè)齊步走的訊號(hào)，代表各個(gè)電壓已完全正常。該訊號(hào)的規(guī)格為；比5V延遲100500 mS。(j). Power Fail Signal : 輸出Fail（mS），與Power Good是同一個(gè)訊號(hào)PIN，當(dāng)電源OFF時(shí)該訊號(hào)需提早歸零，通知CPU電源已經(jīng)OFF了，趕快將該存的資料存起來(lái)。該訊號(hào)的規(guī)格為；比5V提早1 mS Min.(k). Over-Shoot : 由于SMPS受限于振蕩頻率，對(duì)輸出電壓無(wú)法像Linear線路般隨時(shí)監(jiān)控著，于是當(dāng)輸出負(fù)載切換時(shí)（比如重載切輕載），輸出電壓會(huì)有一段盲點(diǎn)，出現(xiàn)往上沖的現(xiàn)象，定義往上沖多少就稱為Over-Shoot，一般為5。(l). Under-Shoot : 如同Over-Shoot，輸出電壓在盲點(diǎn)時(shí)也會(huì)往下掉，定義往下掉多少就稱為Under -Shoot，一般為5。(m). Line Regulation : 輸入穩(wěn)壓率（），當(dāng)輸入電壓由最低（90Vac）變化到最高(135Vac)，此時(shí)輸出電壓的變化率稱為L(zhǎng)ine Regulation，例如：輸入電壓90Vac時(shí)Vo = Vo90, 輸入電壓115Vac時(shí) Vo = Vo115, 輸入電壓135Vac時(shí)Vo = Vo135，取最大偏差值與115Vac比較時(shí)，算法如下Line Regulation (%) =Vo最大偏差值 Vo115 X 100 %Vo115 通常規(guī)格為1 (n). Load Regulation : 負(fù)載穩(wěn)壓率（），當(dāng)負(fù)載電流由最低（Min. Load）變化到最高(Max. Load)，此時(shí)輸出電壓的變化率稱為L(zhǎng)oad Regulation，例如：最低負(fù)載電流時(shí)Vo = Vo ML，最高負(fù)載電流時(shí)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(shí)Min. Load 的大小對(duì)負(fù)載穩(wěn)壓率的影響非常大，需要與客戶密切的溝通，如果Min. Load標(biāo)示太小，而Load Regulation 要求也要小，則勢(shì)必要加上假負(fù)載在SMPS這一端，造成 Input Efficiency 又比較難符合。 通常規(guī)格為 5 ，但會(huì)隨著輸出的組數(shù)增多或選用的電路架構(gòu)而不同 測(cè)試的定義也會(huì)因各個(gè)廠家的習(xí)慣而不同(o). Cross Regulation : 交互穩(wěn)壓率（），當(dāng)SMPS輸出不只一組時(shí)，另外一組負(fù)載的輕與重會(huì)對(duì)本組輸出造成影響，例如：V1 = +5V, V2 = +12V，+12V的負(fù)載輕與重情況會(huì)造成+5V的輸出變化，再加上+5V本身負(fù)載也有輕與重，于是產(chǎn)生4種組合情形，現(xiàn)僅算其中+5V本身于輕載時(shí)的算法如下Cross Regulation (%) =+5Vo (+12V 20% Load) +5Vo (+12V 100% Load)X 100 %+5V (+12V 100% Load) 通常規(guī)格定義各組負(fù)載變化 20 100 Full Load，由于輸出越多則組合情形越多，生產(chǎn)時(shí)則選情況最差時(shí)的組合條件來(lái)測(cè)(p). Combine Regulation : 綜合穩(wěn)壓率（），將Line Regulation 與Load Regulation的條件同時(shí)加入SMPS測(cè)試，算法同上(q). Transient Recovery Time (Transient Response) : 當(dāng)負(fù)載由規(guī)定的速度（AuSec）變化某一個(gè) Full Load時(shí)，輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定所需的時(shí)間，一般規(guī)格為 250 mS Max.4.3. 異常使用保護(hù) (Protection)(a). Over Voltage Protection : 過(guò)電壓保護(hù)，當(dāng)輸出電壓上升到某一額定電壓時(shí)，過(guò)電壓保護(hù)電路即發(fā)生動(dòng)作，使輸出電壓降到零或維持某一設(shè)定的值，達(dá)到保護(hù)SMPS的目的；一般規(guī)定過(guò)電壓為正常電壓的1.11.3倍。(b). Over Current (Load) Protection : 過(guò)電流保護(hù)，當(dāng)輸出電流增加到某一設(shè)定值時(shí)，過(guò)電流保護(hù)電路即發(fā)生動(dòng)作，使輸出電流不再增加，甚或降到零或維持某一設(shè)定的值，達(dá)到保護(hù)SMPS的目的。通常有加入該參數(shù)者，即需要加上定電流電路(c). Over Power Protection : 過(guò)功率保護(hù)，當(dāng)輸出瓦數(shù)增加到某一設(shè)定值時(shí)，過(guò)功率保護(hù)電路即發(fā)生動(dòng)作，使輸出瓦數(shù)不再增加，進(jìn)而往下降直到降為零，達(dá)到保護(hù)SMPS的目的。(d). Over Temperature Protection : 過(guò)溫度保護(hù)，當(dāng)SMPS本身某一含有偵測(cè)溫度電路的零件達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)，即觸發(fā)電路動(dòng)作，使該SMPS停止輸出，進(jìn)而使溫度下降，達(dá)到保護(hù)SMPS的目的。4.4. 操作環(huán)境要求 (Operation Environment)(a). Temperature : 全載情況下，可容許的操作溫度范圍，例如：0 40(b). Humility ： 指該SMPS可容許的濕度環(huán)境，例如：2085 RH(c). Attitude ： 指該SMPS可容許的相對(duì)高度，例如：10000 ft(d). Vibration : 指該SMPS符合的震動(dòng)條件，參見各廠家的要求。(e). Shock : 指該SMPS符合的沖擊條件，參見各廠家的要求。(f). Cooling : 冷卻方式，一般有：l Air Convection (對(duì)流) : 自然散熱l Conduction（傳導(dǎo)）: 以散熱器幫忙散熱l Air Force （風(fēng)扇）: 以風(fēng)扇吹4.5. Safety(安規(guī))及各國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(a). Leakage Current : （漏電流）指輸入端對(duì)外殼的漏電流量,一般商業(yè)用為 750 uA, 一般醫(yī)療安規(guī)為250 uA,美國(guó)地區(qū)甚至要求100 uA 以下(b). Hi-Pot Test : （耐高壓測(cè)試）l 有接地的系統(tǒng)(Class .) 要求：(1). 初級(jí) (Primary) 次級(jí) (Secondary) : 1500 Vac / 60 秒(2). 初級(jí) (Primary) 接地 (F.G.) : 1500 Vac / 60 秒l 無(wú)接地的系統(tǒng)(Class .) 要求：(1). 初級(jí) (Primary) 次級(jí) (Secondary) : 3000 Vac / 60 秒(c). 常見的安規(guī)LOGO 如下：l UL . 美國(guó)l CSA . 加拿大l TUV . 歐洲l VDE 德國(guó)l T-Mark .日本l Semko / Nemko / Demko /Fimko .北歐四國(guó)l CE .歐盟4.6. EMI Conduction (電磁傳導(dǎo)) & Radiation（電磁輻射）常見的EMI 要求如下：(a). FCC