1、 转换式电源供给器
THE SWITCHING POWER SUPPLY:AN OVERVIEW
1.0概论(INTRODUCTION)
由于LSI与VLSI芯片技术的快速成长，尤其是在微处理机与半导体记忆器的发展上，使得电子产品在系统设计上，朝向高密度化、重量轻、效率高及低价格的方向。
以往电源系统是以线性串联稳压器方式来做设计，对现在系统设计上来说，它不仅重量重，体积大，无效率，且是一种落伍的设计。而目前的趋势是朝向体积小，重量轻，高效率的电源系统来设计发展，也就是一般所谓的非线上转换式电源供给器(off-the-line switching power supply)。
最近几年来，由于功率半导体，控制电路与被动组件的快速研究发展，使得转换式电源供给器目前己被大量生产，不仅在可靠度上大大提高，而且价格上也渐渐下降。因此，我们有必要要转换式电源供给器的设计上予以深切明了，提升电子技术的新领域与新的境界。
1.1非线上转换式电源供给器(THE OFF-THE-LINE SWITCHING POWER SUPPLY)
非线上转换电源供给器设计的方法有好几种型式，如半桥式(half-bridge)、返驰式(flyback)，或是顺向式(forward)，而以那种方式来做设计，主要取决于它的价格、性能及设计者的选择。不管设计者以那种方法来做设计、转换式电源供给器的基本结构是相同的，如图1-1所示。首先将进来的AC交流线电压，直接予以整流与滤波，得到DC直流高电压，再将其转换进入转换组件中，如电晶体、硅控整流器(SCR)等，切割成高频率(一般频率都在20kHz)，高电压的方波信号。
此方波信号再进入步降(step-down)隔离变压器的初级，而由次级所感应的电压，经由整流滤波，就可获得低电压电流输出。不管是输入电压有无变化或是输出负载有无变动，我们都必须保持输出直流电压的稳定，因此需将此输出电压予以监视，并将信号回授至控制逻辑电路，如此才能达到稳压效果。此控制逻辑电路的作用就是将输出电压与参考电压做比较，并调整转换组件的导通周期，由于转换组件所切割出来的是高频方波信号，因此在陡峭的上升时间(rise time)与下降时间(fall time)部份，就会有一系列谐频(harmonic frequencies)产生，此谐频若传导回到是AC交流线上，就会对其它仪器设备有所干扰，因此一台好品质的转换式电源供给器，就必须在AC交流电源输入端装上射频干扰(radio frequency interference RFI)滤波器，减少这些频率的干扰到可接受的程度。
本书会将转换式电源供给器每一结构部份，详细予以解析，其主要目的就是让读者在融会贯通之后，有能力去设计可靠度高、价格低、效率高的转换式电源供给器。
1.2电源供给器专有名词(POWER SUPPLY TERMINOLOGY)
我们将对转换式电源供给器常用的专有名词解释如下：
橇杆电路(crowbar circuit)：应用于电源供给器输出端的保护电路，以防电压情况发生。
效率(efficiency)：此值代表输出功率与输入功率比值百分比，用%来表示，在满载(full load)情况量测。
电磁-射频干扰(EMI-RFI)：电磁干扰(electromagnetic interference)与射频干扰(radio frequency interference)乃由电源供给器的转换组件传导与幅射出不需要的高频能谱。
有效串联电阻(ESR)：所谓有效串联电阻(equivalent series resistance ESR)乃指电容器中的电阻值，一般来说电容器中的ESR值愈低是愈好。
持住时间(hold-up time)：一般指移去AC输入电压而输出电压仍维持稳定值的继续时间，此持住时间愈大愈好。
突波电流限制器(inrush current limiting)：属于保护电路的一种，用来限制当电源启动时所产生的峰值线电流。避免滤波电容在满电荷情况下，损失多余之功率。
隔离电压(isolation voltage)：电路中任何部份与底板的地之间可允许操作的最大电压。此最大的交流或直流电压亦需适用于电源供给器的输入端与输出端之间。
线稳压率(line regulation)：当负载与周围温度保持不变情况下，AC交流输入在一定的百分比(一般在±10%)变化下，而在输出端电压的变化率。
负载稳压率(load regulation)：当线电压与周围温度保持不变情况下，输入电压不变而输出电压从不加负载到全载所产生的电压变化百分比。
杂讯与涟波(noise and ripple)：重叠加在直流输出电压之上的交流电压与高频波尖(spikes)，一般都以均方根值(SMS)或峰对峰值来表示，单位是毫伏特(millivolts)为大小。
非线上电源供给器(off-the-line power supply)：也就是一般所称的转换式电源供给器，输入交流信号直接做整流与滤波，不使用低频的隔离变压器。
输出暂态响应(output transient response)：在指定的稳压限制范围内，将输出负载电流做步级改变，观察输出电压维持固定值所需之时间。
过载或过电流保护(overload or overcurrent protection)：乃指负载之变动超过电流所需，此电路装置用于保护电源供给器免于受损。
遥远侦测(remote sensing)：当其负载与转换式电源供给器成一距离时，我们就要考虑到此连接线的内阻抗是否会使正常的输出电压产生压降，而无法使系统正常工作，通常是用I2R公式来计算。
柔和起动(soft start)：防止转换式电源供给器在开机瞬间产生巨大电流脉动，因此我们将其工作周期(duty cycle)由零值缓慢上升到其操作点。
2、电源输入部份（THE INPUT SECTION）
2.0双倍电压的技巧(THE VOLTAGE DOUBLER TECHNIQUE)
在前章我们己经提到过转换式电源供给器，其输入的AC交流电压信号，直接予以整流即可，并不需要在输入端与整流器之间，使用到低频的隔离变压器。由于目前制造商对其电子产品都追求国际化，纷纷打入国际市场，因此从事电源供给器的设计者来说，就必须明了国际间目前使用的输入电压是多少，一般所使用的电压是90伏特至130伏特交流电压或是180伏特至260伏特的交流电压。
在图2-1所示为双倍电压之电路，当开关S1置于关闭状态时，它可操作于115伏特交流电压下，因此当交流电压在正半周时，电容器C1被充电至峰值电压，此值为115Vac×1.4= 160Vdc，而在此正半周期间是经由二极体D1与D2所整流，同理在负半周时，经由二极体D3与D4的整流，电容器C2被充电至160Vdc，而最后输出的总电压为电容器C1与C2的总和值，其大小为320 Vdc。当开关S1打开时，四个二极体D1- D4就形成全波桥式整流器，可操作于230伏特交流电压，最后输出的总电压也是相同为320 Vdc。
2.1零件选择与设计方法(COMPONENT SELECTION AND DESIGN CRITERIA)
2.1.1输入整流器(Input Rectifiers)
当我们选择使用桥式整流器时，不管是整体包装的或是由分离组件来组成，设计者都需考虑到以下一些重要规格：
1.最大顺向整流容许值：此值是依转换式电源供给器所设计的功率大小来决定，所选择的二极体至少要能承受所计算出来的二倍稳态电流值。
2.峰值逆向电压(PIV)阻隔值：由于输入部分所使用的整流器都是在较高电压状态，因此在选择二极体时，需考虑其峰值逆向电压(PIV)的额定值，一般都在600伏特以上。
3.另外需考虑具有较高的突波电流容许值，避免开关在打开瞬间，其峰值电流破坏二极体。
2.1.2输入滤波电容器(Input Filter Capacitors)
要如何正确地计算与选择输入滤波电容器是一项重要的课题，对以下一些性能参数值会有所影响：也就是电源供给器输出的低频交流涟波(ripple)与保持时间(holdover time)。一般来说高品质的电解电容器就具有好的滤涟波电流容许能力，以及低的ESR值，此时电解电容器至少工作于200 Vdc电压下。在图2-1中电阻R4与R5，与电容器互相并联，其作用是当开关电源关闭时，提供电容器放电之路径。
要计算滤波电容器的公式如下：
（2-1）C：电容器，单位μF(微法拉)
I：负载电流，单位A(安培)
t：电容器所能提供电流时间，单位ms(毫秒)
△V：容许的峰对峰涟波值，单位V(伏特)。
例题2-1
50W的转换式电源供给器，工作于115 Vac，60Hz情况下，试计算输入滤波电容器之值。
解：首先我们需计算直流负载电流，假设此电源供给器在最差的情况下，也有百分之七十的效率，则在50W输出下，我们可求得其输入功率大小
再利用图2-1的电压倍压方法，可求得在115 Vac交流输入电压下，直流输出电压为2(115×1.4)＝320 Vdc，因此直流负载电流为
现在假设我们设计所能容许的峰对峰涟波值为30V，而且电容器在每一半周情况下必须能维持电压单位，也就是每一半周对60Hz的交流线频率来说大约是8ms的时间，使用2-1公式可得
我们可选用电容器一般标准规格值50μF
由于倍压电路之结构电容器C值为C1值与C2值串联之结果，因此当选用C值为50μF时，C1与C2值应选用100μF之电容器。
2.2输入保护组件(INPUT PROTECTIVE DEVICES)
2.2.1突波电流(Inrush Current)
如果设计者在设计转换式电源供给器时，在输入部份没有加入电流限制装置的话，一般来说，电源供给器在打开瞬间都会有极大的峰值突波电流，而这些电流造成之因，乃由于滤波电容器之充电而引起，在开关导通时，交流线源上就会呈现非常低的阻抗值，其大小约等于ESR值。因此，线路中若没有保护组件的话，其突波电流甚至可高达数百安培，这是非常危险的。
为了解决突波电流至安全值范围，以及开关在导通时交流线源上阻抗值问题，我们一般常用以下二种方法，第一种是用电阻-闸控开关(resistor-triac)的组合组件，第二种是使用负温度系数(negative temperature coefficient NTC)的热阻体(thermistor)，在图2-1中，我们可看到这些组件如何应用于线路里。
电阻-闸控开关的方法：使用电阻-闸控开关的组合组件来达到突波电流限制之目的，需将电阻器串联于交流线源上，同时将triac与电阻器并联组合在一起，当输入滤波电容器己经充满电荷时，triac会被导通，当然triac要能达到导通状态，吻合预先设定之情况，必须要有触发电路(trigger circuit)，来让它触发导通方可。另外当triac导通时，所有的输入电流都会流经其上，因此在组件的选择上与散热方面的处理，需多加留意。
热阻体的方法：使用负温度系数(NTC)的热阻体，可置于交流线源上或是置于桥式整流器的直流汇流排上，如图2-1所示。
在图2-2中为NTC热阻体的电阻-温度特性曲线与温度系数α的关系，当电源供给器开关打开时，经由交流线源上的阻抗值就是热阻体的电阻值了，如此就可达到限制突波电流的目的。
当电容器开始充电时，电流开始流经热阻体，此时热阻体就会有发热现象产生，由于本身又具有负温度系数之特性，所以热阻体温度升高，其电阻值反而下降了。至于若能正确地选择热阻体，在稳态负载电流下，其电阻值将会最小，而且也不会影响到整个电源供给器的效率。
2.2.2输入暂态电压保护(Input Transient Voltage Protection)
虽然目前一般市电其交流电压的标准额定值一般都为115 Vac或是230Vac，然而其共通的都会被感应而有高压波尖的产生，这是由于附近的感应交换(inductive switching)所引起或是天然情况所产生如电暴(electrical storms)或雷电(lightning)之类。尤其是在严重的雷雨产生时，电压波尖高达5kV是常有之事。
我们由感应交换的电压波尖可得知其储存的能量为
(2-2)
在此L为电感器的漏电感，I为流经绕组的电流。
除非能很成功有效地予以抑制，否则电压波尖虽然时间非常短暂，但是它却能够带足够的能量，来将输入整流器转换电晶体严重破坏。
大多数应用于此种情况的抑制组件为金属氧化变阻体(metaloxide varisor MOV)暂态电压抑制器，如图2-1所示，它装置于交流线的输入端。此种组件其作用就如同是一个可变的阻抗，当暂态电压出现在变阻体两端时，变阻体的阻抗就会快速地下降到最低值，将输入电压定位到安全值范围，在此暂态期间能量是消耗在变阻体上，以下有几个步骤是指导如何正确地选择所需的变阻体组件：
1.首先要选择MOV的交流电压额定值，其值必须比最大的稳态电路值大百分之十到百分之二十左右。
2.计算或估测电路中可能遇到的最大暂态能量有多少焦耳。
3.最后要确定此组件的最大峰值突波电流的额定值大小。
以上这三点的额定值若确定无误后，我们就可以从制造厂商的资料手册中，查出所需的金属氧化变阻体了。
