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：

规划并定义基本电气特性
完成 PCB 配置
製作样品
将 BOM 清单中的元件焊接到 PCB 上
电子特性验证和调整
试生产和重新验证
取得安全认证以在当地销售

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	1234567 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。