SPS电源.docx

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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。