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：

規劃並定義基本電氣特性
完成 PCB 配置
製作樣品
將 BOM 清單中的元件焊接到 PCB 上
電子特性驗證和調整
試生產和重新驗證
取得安全認證以在當地銷售

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	1234567 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。