電源設計技術資訊網站

電源設計支援工具   English   简体中文   日本語   한국어

AC/DC

採用AC/DC PWM方式的返馳式轉換器設計方法

決定電源規格

如同「設計步驟」項目中所說明般,在一開設計時,必須決定電源具備哪些性能和特性,確定電源規格。

其實,電源規格並非單方面由電源設計人員決定就好。除了要求輸入電源和供電負載的電壓精度、電流等之外,還必須確認效率和工作溫度範圍等事項。而這些都是依照系統整體規格和供電機板規格來決定。

然而,事實上並不是一開始設計時,就已經確認這些規格。不是只有供電電路的設計人員怠慢而已,若供電端未設計至某一個程度,也無法確定要設計什麼樣的電源規格。

雖說如此,若要等全部明確才要設計,無庸置疑地,設計時間已經快要結束,只剩下極少的時間能用在電源設計上。因此,在某個時間點先根據大略的資料,在可以變更的前提下,於容許範圍內彈性設計電源規格。

在開始設計前,須先寫好原本要決定的規格,以及設計開始時,能允許的最低限度規格。

應決定的電源規格

  • 輸入輸出:輸入電壓範圍、輸出電壓值和精度
  • 負載:電流、有無暫態(含休眠/喚醒)
  • 效率、待機功率
  • 溫度:最大/最小值、是否冷卻
  • 尺對:安裝面積、高度(標準尺寸規格)
  • 必要的保護:低電壓、過電壓、過熱等
  • 特殊環境/使用條件:車用、航太、通訊、RF等
  • 必須取得的認證和規範
  • 成本

接下來將具體說明「最低限度電源規格」各項目。

・輸入電壓範圍
使用AC/DC轉換器,因此輸入當然是AC電源。幸運的是家庭和辦公室用的AC電源是公稱電壓。日本公稱電壓為100VAC,以全球的情況來說,落在100VAC~240VAC的範圍內。此外,因為是公稱值,若包含容許差在內,大多會預設下限-15%的85VAC、上限+10%的264V範圍內。電源方面會因為國家而不同,在定容許差時,必須根據過往經驗和掌握實際情況才行。也就是說,根據配備設計電源的機器的出貨地,來決定輸入電壓範圍值。

世界家庭用主要電源電壓(公稱值)
日本:100VAC
美國:120VAC
加拿大:120VAC/240VAC
英國:230VAC/240VAC
俄國:127VAC/220VAC
中國:110VAC/220VAC

・輸出電壓/精度/電流
AC/DC轉換器的輸出電壓,設定系統和電路機板必要的DC電壓值。以產業機器為例,一般設定24VDC和12VDC等共通標準電壓,但目前也有不少機器直接設定5VDC和3.3VDC等驅動電壓。不論是設定哪一種,都必須達到輸出電壓±5%的精度。這是依供電設置的要求來決定。在設計時,必須討論能夠滿足要求精度的零件和方式。

輸出規格中還有另一個非常重要的項目,那就是輸出電流。必須充分供應能滿足供電電路需要的電流,且維持輸出電壓穩定化。雖然調整空間大,容許範圍廣,但零件成本高和尺寸大,在此之下,最大負載電流相關資料就顯得非常重要。此外,還要檢討發生負載暫態時的響應特性。響應特性不足時,就可能造成系統重置等,對系統帶來致命的損害。

討論電流值後,當根據AC/DC轉換器的輸出狀況,以個別的開關式穩壓器組成電源時,能依功率狀況來思考電流值。開關式穩壓器是轉換功率,因此AC/DC轉換器製作出12VDC,將其當作輸入電流切,開關式穩壓器的效率達80%,轉換成5V/0.8A,但輸入功率則是變成5W。單純來看,AC/DC轉換器的12V輸出值轉換成5W,因此輸出電流只要0.42A即可。轉換功率用的電源,其輸出能力大多以功率值表示。

・輸出漣波電壓
漣波就是脈動電流。轉換後的DC電壓,包含著與輸入AC電源頻率、開關轉換頻率相關的脈動電流。當然,在轉換的過程中會進行平滑、濾波,但卻無法歸零。例如輸出以5VDC為中心,產生400mVp-p的漣波時,最大值為5.2V,最小值為4.8V。5V±4%能滿足一般精度要求±5%,但輸入3.3V輸出,產生400mVp-p的漣波時,就會變成3.3V±6%。

因開關而產生的輸出漣波電壓示意圖

因開關而產生的輸出漣波電壓示意圖

AC/DC轉換器會製作稱為12VDC的匯流排電壓,將其當作輸入電壓,再利用個別的穩壓器等,產生各電路必要的電壓,或許能夠舒緩AC/DC轉換器的漣波問題。然而,在上述範例中,若直接供電給低電壓裝置,漣波電壓就可能造成某些問題。無論如何,雖然漣波電壓愈小愈好,但仍要考量到濾波器設置空間和成本,來設定容許值。

・絕緣耐壓
依系統規格,有時AC/DC轉換器必須能夠絕緣。產業機器和醫療機器等基本上必須絕緣,且可能會指定絕緣等級。AC/DC轉換器的絕緣指一次側(AC輸入),和二次側(DC輸出)無法通電,基本上由變壓器負責絕緣的工作。絕緣除了3kVAC的電壓外,還必須討論絕緣構造、絕緣等級等規格相關事項。設計變壓器的人必須具備規範和零件方面的知識才行。各個詳細內容請參照規格書等。

・工作溫度範圍
應該要設定配備設計電源的系統,以及機器工作溫度範圍等規格。AC/DC轉換器必須由符合要求的控制IC和零件組成。另外,雖然大多以環境溫度標示機器規格,但AC/DC轉換器若裝設在內部,就必須以內部溫度為基準來決定規格。AC/DC轉換器會發熱,一但超過所用零件的額定值,將可能發生致命的損壞,因此溫度方面必須充分進行驗證。

・效率
效率是指輸出功率相對於輸入功率的比率,以%表示。效率達80%代表損耗20%,損耗基本上會變成熱。現今提升效率已是必備要件,也因此必須充分理解和熱相關的事物。

為了提升效率,必須討論所用哪種轉換方式、控制IC、外接零件等。

・無負載時的輸入功率
未流通輸出電流時的輸入功率,也就是無負載時的自我消耗功率。省電已經是機器設備的責任和義務,必須將毫無用處的自我損耗降至最低才行。EnergyStar即是其中一例。電路組成和控制IC在降低自我消耗功率上,扮演著非常重要的角色。

以上內容為最低限度,但可能因為各種原因,造成上述資料和自己遇到的情形不同。此時,就必須根據經驗法則,判斷電源擁有哪一種程度的性能和特性,就能夠廣泛因應各項條件要求。最重要的就是先了解能修正變更或全部重做後,再開始進行設計。

重點:

・大部分在一開始設計時,都還沒有決定電源規格為何。

・在開始設計時,應儘可能收集必要的資料,在能變更的前提下保留容許範圍和彈性,再開始進行設計。

・其實在電源設計上,電源IC佔了極重要的地位,會依使用的IC來決定電路和零件。


PWM返馳式轉換器設計範例