如何設計一個好的電源

2020-10-22

 自從尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)贏得電流戰爭,底定了輸配電的系統為交流電型態之後,將交流高壓電轉變為電子元件適用的直流低電壓,這一功能的產品--電源供應器。就一直存在這世上。時至今日,電源供應器由一開始龐大笨重的線性變壓器,發展為各式各樣拓樸架構的交換式電源供應器,不但縮小了體積,也帶來了更高的效率及可靠性。

    傳統的線性變壓器電源,輸出功率與體積及重量成正比,一個10W左右的線性變壓器其重量莫約300g左右,但如果輸出功率提高到100W,則重量將倍增到3~5Kg之譜,這等份量別說是隨身帶出門旅行了,就算是放在家中要移動它,都可以當作是在做重量訓練了。而且如果還需要基本的電壓反饋功能,則還得加裝線性調節器(linear regulator),而此調節器是以熱損耗的方式將高於規格的電壓降消耗掉,所以為了能控制合理的溫升,則又要再加裝龐大的散熱裝置,使整體電源的體積更加龐大,重量也隨之倍增。所以目前除了在一些音響的發燒友,對輸出漣波雜訊干擾(ripple noise)有極度的要求之外, 幾乎已經沒有線性電源的需求。

    目前電源的應用場景及類別眾多,除了我們熟識的家庭及辦公室之外,在一些特定的應用場景如: 醫療、重工業、車用、實驗室設備、資料中心、5G應用、鐵道、航海、航空等等不同的應用場景中也有其需求 ,同時也為因應各種不同的應用,發展出各式各樣電性、外觀、耐候性、冗餘等符合各種不同特殊任務的電源。

我應該自行設計製造或是買一顆電源呢?

    而在各個應用場景中,該如何設計,才能稱得上是一顆”好的”電源呢? 以下我們就以最常見的NB使用的adapter電源作為一例,看看如何設計一顆NB使用的adapter能使其勝任被賦予的任務。並一併來比對看看,是該購買成品,還是可以嘗試著自己著手設計,並製造出一個專屬於自己的產品。

設計 AC/DC 電源供應器的流程如下:

 

我們將以筆電的 120w 變壓器為例,說明如何逐步設計 AC/DC 電源供應器。

第一步: 設計並定義基本電性

一般來說,在電源設計的初期,要先定義其基本電性,如下我們就以一台在NB使用的120W adapter來舉例,看看各個應該被定義的項目,及大致的參數,這其中包含了輸入電壓及頻率、外觀尺寸、工作溫溼度、輸入AC socket、整體效率、待機功耗、輸出電壓、輸出電流、Peak Load、保護(含OCP/OVP/OTP) 、各項EMC需求,等等…

為求簡明易懂,故一一列表如下表示。

項目 規格
輸入電壓及頻率 90 ~264Vac (50/60Hz)
外觀尺寸 123*45*67 mm
工作溫溼度 -10℃ ~ 40℃
輸入AC socket C14
輸出電壓 19V±5%
輸出電流 6.3A
整體效率 Follow DoE level VI & CoC Ver. 5 tier2
待機功耗 0.15W
Peak Load x 2 (50mS@1sec period)

保護(含OCP/OVP/OTP)

Latch / hiccup
各項EMC需求 IEC62368-1

 

在電性規格大致底定後,就要來選擇適當的拓樸架構,以一顆120W左右的adapter,可選用的架構一般有Flyback,ACF(active-clamp flyback) 及 HB-LLC 可選擇。但有鑑於日益嚴峻的法規要求,Flyback 效率過低的特性恐不合適,剩下的ACF及HB-LLC雖都可達成,但考量ACF在輕載效率較難調校。故選用HB-LLC為此次的拓樸架構。

    在選定拓樸架構後,為使設計過程流暢,一般會以方塊圖的方式,大致先區分不同區塊的線路架構,及主要選用的IC或元件名稱。再此因考量輸入功率 >75W,為符合歐盟對於 總諧波失真 (Total harmonic distortion)的需求,需再加入一級 PFC線路。方能滿足歐盟要求。

 下圖即為依上述電性規格並依HB-LLC架構所選用適用的元件所繪出之方塊圖

至此為止因尚在規畫階段,如果熟稔電源架構設計者,在購買電源成品或者是自己著手設計兩者的選擇上,可能還不至於有明顯的不同。但接下來的真正的進入實作的階段就可以慢慢的看出兩者的差異。

第二步: 完成PCB layout

    一般來說在線路架構確認,元件選擇完成之後,便進入PCB layout的階段,如何將所有的元件放入客戶指定大小尺寸之中,而且還要兼顧電性,安規距離,降低生產組裝困難度,生產自動化,熱對流,等等條件,這就需要一名專業的layout 工程師搭配合適的軟體來完成,單以此例120W的adapter來說,一名有經驗的layout工程師莫約需要1週的時間方能由無至有的完成初版的PCB。

第三步: 製樣

    完成的PCB檔案接著便該送往專門製樣的PCB廠商那邊安排生產樣品了,正常來說,大約3~5工作日再加上USD 200左右的樣製費就可以拿到10~15 pcs PCB樣品了,自行設計的玩家為了節省經費,當然可以嘗試以自行購買的帶銅箔的PCB裸板進行蝕刻水洗,但考量精度不高,銅線容易斷裂,且成品僅僅只有銅箔層(如下圖1),而無上/下層文字面(如下圖2&3)可供插件參考,更別說還是得購買一堆化學蝕刻液體,然後還要挑戰精確的將PCB上的貫通孔逐一的鑽出來,在節省經費不多,但失敗率極高的情形下,並不推薦自行製作PCB。

第四步: 將BOM表上的元件焊接至PCB板上

   當PCB完成後,便要將前期已經先準備好的,所有BOM表中的元件,手工一一焊接組裝至PCB上, 組裝順序一般是以先SMD 後DIP,先小元件,後大元件的方式進行組裝,如此較不容易造成組裝干涉,也比較不會有漏裝元件的情況發生,不過手工組裝出錯是難以完全避免的,而且因為是手工組裝多台樣機,所以每一台樣機發生的組裝問題不一定完全相同,缺件、錯位、極性相反…等等,都再再增加初版樣機的排錯困難度。最終由製樣至開機完成的時間至少也得再花費1週的時間。這都還不算入所有BOM表中的元件前期備料的時間。在這個階段自行設計的玩家如果只製作一台樣機,反而是比較快的,但前提是不計入前期備料的時間及成本,因為個人玩家不比公司行號,能拿到的資源有限,所有的元件都得一顆顆到電子材料行採買,一台樣機的所有材料準備好,絕對是比買一顆電源成品還要高出2~3倍。

第五步: 電性驗證與調校

   完成開機步驟之後便正式進入了電性驗證及調校的階段。又為了模擬各國的電力系統,及各式各樣負載條件,所以需要許多相關儀器設備來完成電性驗證: 可程式化AC電源供應器,以及模擬電子負載,當然高精度的示波器及相關探棒(電壓探棒/電流探棒/差動探棒),數位電錶,功率計,溫控烙鐵,自然也不可少,再某些情況下需要確認線路上的小訊號,則DC直流電源供應器也是必要裝備,如此下來光儀器就已不是一般玩家負擔的起的了,若要再進階一些為求回授穩定性高,相位邊限(Phase Margin)、增益邊限(Gain Margin)足夠,一套上百萬台幣的頻率響應分析儀也是必要的設備。

    看到這邊還沒有轉台的鄉民們,肯定是對電源有熱情的,為不辜負您的好學精神,就讓我們繼續走下去…

   在初版的樣品上,研發人員一般會就基本電性、溫昇、EMI、EMS做相關的驗證,但因電源屬於類比式線路,往往為某一電性修改的對策,會帶來副作用,而使得另一個電性,或驗證項目超出規格。如此牽一髮而動全身,再再都為開發人員帶來挑戰。(此現象一般戲稱為蹺蹺板效應,在修改A參數的對策後,會使得原本已經Pass的B參數又變成Fail,所以如何拿捏得宜,均有賴經驗豐富的工程師細心調校),所以除了研發人員初測之外,FSP還設有專職的驗證單位,以第三方角度一一認證,以確保產品品質。

下表為FSP正常的電源需要驗證的項目。

 

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

 自行設計的玩家一般不會有完整的測試儀器設備,所以在初版樣品開機後,就只能以簡易的三用電表確認電壓無誤,好一點的可能有負載電阻可以進行基本的老化及溫昇測試,但如果沒有較精良的設備,遇到較困難的問題,可能就此卡住,而無法進一步驗證。即便正常開機,但穩定性及壽命,也仍是未知之天。但話說回來,如果一切過程都沒問題,或問題能被排解,但憑一己之力獨自完成一個電源,即便付出比直接購買一顆市售的電源,更高的成本,以及更多的心力。也是值得的。因為成就感—無價。

  但話說回來自行設計的電源畢竟風險較高,並不建議使用在較高單價的產品之上,萬一工作失常輕則電源自身失效,重則損壞後端的電器,如此就得不償失了。到此一般自行設計的電源大概就此打住了,但FSP每一顆合格的電源尚須再經歷以下的階段…

第六步: 試產及再驗證

   在研發人員電性初步確認之後,會在工廠安排試產,以期在正式量產之前能找出生產困難的地方,降低在大量生產時發生不良的機率,而試產的機台因較手工機台完整,而且數量也較多,故FSP驗證部門就會以此機台做驗證,除上述研發人員確認的項目之外,還會額外再做components derating 以及 open short 等驗證,在components derating上主要在看,電源工作的時候,所有元件的餘裕,是否都符合元件自身的規格,還是有超出的部分,若有超出則提出請研發人員進行改善,在open short上則主要在確認當元件失效時,單一元件自身發生開路或者短路的現象後,電源會發生甚麼反應,因為電源連接市電,理論上有取之不盡的能量,若電源發生失效而產生發熱,冒煙,甚至火花等現象,都有可能引起重大的安全事故,所以這是完全不可以接受的結果。因此open short 即是在模擬所有可能的不良結果,將可能發生的危險,排除在發生之前。因為上述兩項測試,是針對電源”每一顆”零件所做的驗證,所以此驗證非常曠日廢時,且模擬open short狀態往往會損傷電源本體,所以所需樣品也不再少數,故並非研發人員能獨立完成,須由專責的驗證單位完成之。

第七步: 申請當地安規

   如前述內容所提到的,因電源失效時,有可能造成重大的安全隱憂,或者電源因使用的場地不同,對安全的考量也不盡相同,雖說有不少跨國際的組織如IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers),訂定出建議的規範,但考量到世界各個國家的市電電壓不同,AC插座亦不相同,每一個國家對安全的定義也不盡相同,最終世界各國仍發展出屬於自己各自的安規準則。如此一來,像NB使用的Adapter這種有可能在世上任一個國家販售並使用的產品,在上市前就須經由專業的實驗室協助,依照著各國的要求來測試,並最終取得該國的安規認證,如此方能在該國進行販售,而這僅僅只是針對一個國家,如若再加上全世界通用的考量下,就需要對每一個國家一一申請安規認證,想當然爾,這又會是一筆可觀的費用支出。並且此一安規認證是屬於強制性的要求,並具有法律約束力,如不遵從,就會依法罰款並要求下架。

結論

   至此,大概可以稍似描繪出一顆合格的電源,從無到有的各主要階段,當然這其中仍有許多的細節部分無法一一詳述,猶如數不盡的波形及測試數據的確認,替代料的驗證,特殊法規或特定使用環境要求,新材料調校,等等…都對電源設計的難度再添上許多難以克服的未知數。

   若回到個人設計電源的議題,除了需要花費比採買市售電源更高的費用之外,還得親力親為的由規格制定/電路架構IC選擇/變壓器型號選用及圈數設計/線路繪製/PCB layout/材料採買/樣機組立/最終到電性除錯,這除了金錢的問題之外,還需耗費大量的時間及精力,才能走完全程,這除了個人能力之外,還需要有相當的”熱忱” ,且這還不包括,因為無法負擔高昂的儀器設備費用來進行電性驗證,及錯綜複雜的品質驗證流程。所以導致成品的不可靠性頗高,由此看來電源DIY並不是一項高性價比的好主意。或者僅供學生,或者熱衷自我實現者的一種挑戰吧。

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