如何设计一个好的电源

2020-10-22

 自从尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)赢得电流战争,底定了输配电的系统為交流电型态之后,将交流高压电转变為电子元件适用的直流低电压,这一功能的产品--电源供应器。就一直存在这世上。时至今日,电源供应器由一开始庞大笨重的线性变压器,发展為各式各样拓朴架构的交换式电源供应器,不但缩小了体积,也带来了更高的效率及可靠性。

    传统的线性变压器电源,输出功率与体积及重量成正比,一个10W左右的线性变压器其重量莫约300g左右,但如果输出功率提高到100W,则重量将倍增到3~5Kg之谱,这等份量别说是随身带出门旅行了,就算是放在家中要移动它,都可以当作是在做重量训练了。而且如果还需要基本的电压反馈功能,则还得加装线性调节器(linear regulator),而此调节器是以热损耗的方式将高於规格的电压降消耗掉,所以為了能控制合理的温升,则又要再加装庞大的散热装置,使整体电源的体积更加庞大,重量也随之倍增。所以目前除了在一些音响的发烧友,对输出涟波杂讯干扰(ripple noise)有极度的要求之外, 几乎已经没有线性电源的需求。

    目前电源的应用场景及类别眾多,除了我们熟识的家庭及办公室之外,在一些特定的应用场景如: 医疗、重工业、车用、实验室设备、资料中心、5G应用、铁道、航海、航空等等不同的应用场景中也有其需求 ,同时也為因应各种不同的应用,发展出各式各样电性、外观、耐候性、冗餘等符合各种不同特殊任务的电源。

我应该自行设计製造或是买一颗电源呢?

    而在各个应用场景中,该如何设计,才能称得上是一颗”好的”电源呢? 以下我们就以最常见的NB使用的adapter电源作為一例,看看如何设计一颗NB使用的adapter能使其胜任被赋予的任务。并一併来比对看看,是该购买成品,还是可以尝试着自己着手设计,并製造出一个专属於自己的产品。

设计 AC/DC 电源供应器的流程如下:

 

我们将以笔电的 120w 变压器為例,说明如何逐步设计 AC/DC 电源供应器。

第一步: 设计并定义基本电性

一般来说,在电源设计的初期,要先定义其基本电性,如下我们就以一台在NB使用的120W adapter来举例,看看各个应该被定义的项目,及大致的参数,这其中包含了输入电压及频率、外观尺寸、工作温溼度、输入AC socket、整体效率、待机功耗、输出电压、输出电流、Peak Load、保护(含OCP/OVP/OTP) 、各项EMC需求,等等…

為求简明易懂,故一一列表如下表示。

项目 规格
输入电压及频率 90 ~264Vac (50/60Hz)
外观尺寸 123*45*67 mm
工作温溼度 -10℃ ~ 40℃
输入AC socket C14
输出电压 19V±5%
输出电流 6.3A
整体效率 Follow DoE level VI & CoC Ver. 5 tier2
待机功耗 0.15W
Peak Load x 2 (50mS@1sec period)

保护(含OCP/OVP/OTP)

Latch / hiccup
各项EMC需求 IEC62368-1

 

在电性规格大致底定后,就要来选择适当的拓朴架构,以一颗120W左右的adapter,可选用的架构一般有Flyback,ACF(active-clamp flyback) 及 HB-LLC 可选择。但有鑑於日益严峻的法规要求,Flyback 效率过低的特性恐不合适,剩下的ACF及HB-LLC虽都可达成,但考量ACF在轻载效率较难调校。故选用HB-LLC為此次的拓朴架构。

    在选定拓朴架构后,為使设计过程流畅,一般会以方块图的方式,大致先区分不同区块的线路架构,及主要选用的IC或元件名称。再此因考量输入功率 >75W,為符合欧盟对於 总谐波失真 (Total harmonic distortion)的需求,需再加入一级 PFC线路。方能满足欧盟要求。

 下图即為依上述电性规格并依HB-LLC架构所选用适用的元件所绘出之方块图

至此為止因尚在规画阶段,如果熟稔电源架构设计者,在购买电源成品或者是自己着手设计两者的选择上,可能还不至於有明显的不同。但接下来的真正的进入实作的阶段就可以慢慢的看出两者的差异。

第二步: 完成PCB layout

    一般来说在线路架构确认,元件选择完成之后,便进入PCB layout的阶段,如何将所有的元件放入客户指定大小尺寸之中,而且还要兼顾电性,安规距离,降低生产组装困难度,生产自动化,热对流,等等条件,这就需要一名专业的layout 工程师搭配合适的软体来完成,单以此例120W的adapter来说,一名有经验的layout工程师莫约需要1週的时间方能由无至有的完成初版的PCB。

第叁步: 製样

    完成的PCB档案接着便该送往专门製样的PCB厂商那边安排生产样品了,正常来说,大约3~5工作日再加上USD 200左右的样製费就可以拿到10~15 pcs PCB样品了,自行设计的玩家為了节省经费,当然可以尝试以自行购买的带铜箔的PCB裸板进行蚀刻水洗,但考量精度不高,铜线容易断裂,且成品仅仅只有铜箔层(如下图1),而无上/下层文字面(如下图2&3)可供插件参考,更别说还是得购买一堆化学蚀刻液体,然后还要挑战精确的将PCB上的贯通孔逐一的钻出来,在节省经费不多,但失败率极高的情形下,并不推荐自行製作PCB。

第四步: 将BOM表上的元件焊接至PCB板上

   当PCB完成后,便要将前期已经先準备好的,所有BOM表中的元件,手工一一焊接组装至PCB上, 组装顺序一般是以先SMD 后DIP,先小元件,后大元件的方式进行组装,如此较不容易造成组装干涉,也比较不会有漏装元件的情况发生,不过手工组装出错是难以完全避免的,而且因為是手工组装多台样机,所以每一台样机发生的组装问题不一定完全相同,缺件、错位、极性相反…等等,都再再增加初版样机的排错困难度。最终由製样至开机完成的时间至少也得再花费1週的时间。这都还不算入所有BOM表中的元件前期备料的时间。在这个阶段自行设计的玩家如果只製作一台样机,反而是比较快的,但前提是不计入前期备料的时间及成本,因為个人玩家不比公司行号,能拿到的资源有限,所有的元件都得一颗颗到电子材料行採买,一台样机的所有材料準备好,绝对是比买一颗电源成品还要高出2~3倍。

第五步: 电性验证与调校

   完成开机步骤之后便正式进入了电性验证及调校的阶段。又為了模拟各国的电力系统,及各式各样负载条件,所以需要许多相关仪器设备来完成电性验证: 可程式化AC电源供应器,以及模拟电子负载,当然高精度的示波器及相关探棒(电压探棒/电流探棒/差动探棒),数位电錶,功率计,温控烙铁,自然也不可少,再某些情况下需要确认线路上的小讯号,则DC直流电源供应器也是必要装备,如此下来光仪器就已不是一般玩家负担的起的了,若要再进阶一些為求回授稳定性高,相位边限(Phase Margin)、增益边限(Gain Margin)足够,一套上百万台币的频率响应分析仪也是必要的设备。

    看到这边还没有转台的乡民们,肯定是对电源有热情的,為不辜负您的好学精神,就让我们继续走下去…

   在初版的样品上,研发人员一般会就基本电性、温昇、EMI、EMS做相关的验证,但因电源属於类比式线路,往往為某一电性修改的对策,会带来副作用,而使得另一个电性,或验证项目超出规格。如此牵一髮而动全身,再再都為开发人员带来挑战。(此现象一般戏称為蹺蹺板效应,在修改A参数的对策后,会使得原本已经Pass的B参数又变成Fail,所以如何拿捏得宜,均有赖经验丰富的工程师细心调校),所以除了研发人员初测之外,FSP还设有专职的验证单位,以第叁方角度一一认证,以确保产品品质。

下表為FSP正常的电源需要验证的项目。

 

QUALIFICATION TEST REPORT

 

Customer:      Moder name: FSP120-AAAN3 Tested by: XXX
Report Rev: 01 Stage: B-TEST Checked by: XXX
Spec. Rev: 1.00 Date: XXX Approved by: XXX
S/N: S7510030032    

 

Item Sub-Item Results Page Comments

Input Characteristics

Efficiency Pass 1-3  
Input current Pass 1-2  
Power factor Pass 1-2  
Inrush current Pass 4  
Turn on time Ref. 24  
Hold up time Pass 25  

Output Characteristics

Output voltage regulation Pass 5-6  
Ripple & Noise Pass 7-8  
Dynamic load Pass 9-13  
Overshoot Pass 14-18  
P.G delay timing Pass 26  
P.G fail timing Pass 27  
Raise time Pass 28  

Protections

Short circuit Pass 19-20  
Over current Pass 21  
Over voltage Pass 22-23  

Safety

Leakage current Pass 37  
Hi-pot Pass 38  
Insulation resistance Pass 39  
Ground bond Pass 40 IEC60068-2-2

Environment/Reliability

Thermal Pass 32-36  
Burn in Pass 41  
Acoustic emissions Pass 53-55  
ON/OFF cycling Pass 56  
Low temperature storage Pass 57 IEC60068-2-1
High temperature storage Pass 58 IEC60068-2-2
Temperature & Humidity cycling Pass 59 IEC60068-2-14
Cold start Pass 60 IEC60068-2-1
Voltage stress Pass 61-74  
Vibration Pass 75-77 IEC60068-2-64

E.M.C.

Current harmonic Pass 29-31 EN61000-3-2
Lighting surge Pass 42-43 EN61000-4-5
ESD Pass 44-45 EN61000-4-2
EFT Pass 46-47 EN61000-4-4
EMI conduction Pass 48-52 EN55032
AC voltage dips Pass 78-79 EN61000-4-11

 自行设计的玩家一般不会有完整的测试仪器设备,所以在初版样品开机后,就只能以简易的叁用电表确认电压无误,好一点的可能有负载电阻可以进行基本的老化及温昇测试,但如果没有较精良的设备,遇到较困难的问题,可能就此卡住,而无法进一步验证。即便正常开机,但稳定性及寿命,也仍是未知之天。但话说回来,如果一切过程都没问题,或问题能被排解,但凭一己之力独自完成一个电源,即便付出比直接购买一颗市售的电源,更高的成本,以及更多的心力。也是值得的。因為成就感—无价。

  但话说回来自行设计的电源毕竟风险较高,并不建议使用在较高单价的产品之上,万一工作失常轻则电源自身失效,重则损坏后端的电器,如此就得不偿失了。到此一般自行设计的电源大概就此打住了,但FSP每一颗合格的电源尚须再经歷以下的阶段…

第六步: 试产及再验证

   在研发人员电性初步确认之后,会在工厂安排试产,以期在正式量产之前能找出生产困难的地方,降低在大量生产时发生不良的机率,而试产的机台因较手工机台完整,而且数量也较多,故FSP验证部门就会以此机台做验证,除上述研发人员确认的项目之外,还会额外再做components derating 以及 open short 等验证,在components derating上主要在看,电源工作的时候,所有元件的餘裕,是否都符合元件自身的规格,还是有超出的部分,若有超出则提出请研发人员进行改善,在open short上则主要在确认当元件失效时,单一元件自身发生开路或者短路的现象后,电源会发生甚麼反应,因為电源连接市电,理论上有取之不尽的能量,若电源发生失效而产生发热,冒烟,甚至火花等现象,都有可能引起重大的安全事故,所以这是完全不可以接受的结果。因此open short 即是在模拟所有可能的不良结果,将可能发生的危险,排除在发生之前。因為上述两项测试,是针对电源”每一颗”零件所做的验证,所以此验证非常旷日废时,且模拟open short状态往往会损伤电源本体,所以所需样品也不再少数,故并非研发人员能独立完成,须由专责的验证单位完成之。

第七步: 申请当地安规

   如前述内容所提到的,因电源失效时,有可能造成重大的安全隐忧,或者电源因使用的场地不同,对安全的考量也不尽相同,虽说有不少跨国际的组织如IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers),订定出建议的规范,但考量到世界各个国家的市电电压不同,AC插座亦不相同,每一个国家对安全的定义也不尽相同,最终世界各国仍发展出属於自己各自的安规準则。如此一来,像NB使用的Adapter这种有可能在世上任一个国家贩售并使用的产品,在上市前就须经由专业的实验室协助,依照着各国的要求来测试,并最终取得该国的安规认证,如此方能在该国进行贩售,而这仅仅只是针对一个国家,如若再加上全世界通用的考量下,就需要对每一个国家一一申请安规认证,想当然尔,这又会是一笔可观的费用支出。并且此一安规认证是属於强制性的要求,并具有法律约束力,如不遵从,就会依法罚款并要求下架。

结论

   至此,大概可以稍似描绘出一颗合格的电源,从无到有的各主要阶段,当然这其中仍有许多的细节部分无法一一详述,犹如数不尽的波形及测试数据的确认,替代料的验证,特殊法规或特定使用环境要求,新材料调校,等等…都对电源设计的难度再添上许多难以克服的未知数。

   若回到个人设计电源的议题,除了需要花费比採买市售电源更高的费用之外,还得亲力亲為的由规格制定/电路架构IC选择/变压器型号选用及圈数设计/线路绘製/PCB layout/材料採买/样机组立/最终到电性除错,这除了金钱的问题之外,还需耗费大量的时间及精力,才能走完全程,这除了个人能力之外,还需要有相当的”热忱” ,且这还不包括,因為无法负担高昂的仪器设备费用来进行电性验证,及错综复杂的品质验证流程。所以导致成品的不可靠性颇高,由此看来电源DIY并不是一项高性价比的好主意。或者仅供学生,或者热衷自我实现者的一种挑战吧。

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