如同“設計步驟”項目中所說明般,在一開始設計時,必須決定電源具備哪些性能和特性,確定電源規格。
其實,電源規格并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范圍等事項。而這些都是依照系統整體規格和供電基板規格來決定。
絕緣型反激式轉換器的基礎
開關AC/DC轉換
反激式轉換器的特征
反激式轉換器的工作和緩沖
不連續模式與連續模式
設計步驟
電源規格的決定
設計使用IC的選擇
絕緣型反激式轉換器電路設計
變壓器設計(數值計算)
變壓器設計(構造設計)-其1
變壓器設計(構造設計)-其2
主要部件的選定-MOSFET相關 其1
主要部件的選定-MOSFET相關 其2
主要部件的選定-CIN和緩沖
主要部件的選定-輸出整流器和Cout
主要部件的選定-IC的VCC相關
主要部件的選定-IC的設定、其他
EMI對策及輸出噪聲對策
基板布局例
總結
然而,現實上并不是一開始設計時,就已經確認這些規格。不是只有供電電路的設計人員疏忽而已,如果供電端未設計至某一個程度,也無法確定要設計什么樣的電源規格。
雖說如此,如果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數據,在可以變更的前提下,于容許范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:輸入電壓范圍、輸出電壓值和精度
負載:電流、有無瞬態(含休眠/喚醒)
效率、待機功耗
溫度:最大/最小值、是否冷卻
尺寸:安裝面積、高度(外形尺寸)
必要的保護:低電壓、過電壓、過熱等
必須取得的認證和規范
成本
設計開始的最低限度規格
輸入電壓范圍
輸出電壓/精度/電流
輸出紋波電壓
絕緣耐壓
工作溫度范圍
效率
無負載時輸入功率
接下來將具體說明“最低限度電源規格”的各項目。
?輸入電壓范圍
輸入,因其是AC/DC轉換器,理所當然是AC電源了。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,都在100VAC~240VAC的范圍內。此外,因為是公稱值,如果包含容許差在內,大多會設想下限-15%的85VAC、上限+10%的264V范圍內。電源方面會視國家而定,在定容許差時,必須根據過往經驗和掌握實際情況才行。以此方式,根據搭載設計電源的設備的出貨地,來決定輸入電壓范圍值。
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
俄羅斯:127VAC/220VAC
中國:110VAC/220VAC
?輸出電壓/精度/電流
AC/DC轉換器的輸出電壓,設定系統或電路基板必要的DC電壓值。以工業設備為例,一般設定24VDC和12VDC等共通標準電壓,但目前也有不少設備直接設定5VDC和3.3VDC等驅動電壓。總之,都必須達到輸出電壓±5%的精度。這是依據被供電設備的要求來決定。在設計時,必須討論能夠滿足要求精度的部件和方式。
輸出規格中,輸出電流也是非常重要的。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。雖然余量大,容許范圍廣,但部件成本高和尺寸大,在此之下,最大負載電流相關數據就顯得非常重要。此外,還要探討發生負載瞬態的響應特性。不足時,就可能造成系統復位等,對系統帶來致命的損害。
討論電流值后,當根據AC/DC轉換器的輸出狀況,以個別的開關穩壓器組成電源時,能依據功率狀況來思考電流值。開關穩壓器是轉換功率,因此AC/DC轉換器制作出12VDC,將其當作輸入電流切,開關穩壓器的效率達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。
?輸出紋波電壓
紋波就是脈流。轉換后的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的紋波時,最大值為5.2V,最小值為4.8V。對此,5V±4%能滿足一般精度要求±5%,但輸入3.3V輸出,產生400mVp-p的紋波時,就會變成3.3V±6%。
起因于開關工作的輸出紋波電壓示意圖
AC/DC轉換器會制作稱為12VDC的總線電壓,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轉換器的紋波問題。不過,在上述范例中,如果直接供電給低電壓設備,紋波電壓就可能造成某些問題。總之,雖然紋波電壓愈小愈好,但仍要考慮到濾波器設定空間和成本,來設定容許值。
?絕緣耐壓
視系統的規格而定,有時AC/DC轉換器必須能夠絕緣。工業設備和醫療設備等基本上必須絕緣,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)無法導通,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范和部件方面的知識才行。各個詳細內容請參照規格書等。
?工作溫度范圍
應該要設定搭載設計電源的系統,以及設備工作溫度范圍等規格。AC/DC轉換器必須由符合要求的功率控制IC和部件組成。此外,雖然大多以周圍溫度標示設備規格,但AC/DC轉換器如果裝設在內部,就必須以內部溫度為基準來決定規格。AC/DC轉換器會少量發熱,一但超過所用部件的額定值,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
效率是指針對輸入功率的輸出功率的比率,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,必須探討使用變壓器方式、控制IC、外置部件。
?無負載時輸入功率
輸出電流不流動時的輸入功率,也就是無負載時的自我功耗。節能化已經是設備的責任和義務,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在降低自我功耗上,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,造成上述數據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,就能夠廣泛支持各項條件要求。最重要的就是先了解能修正變更或全部重做后,再開始進行設計。
審核編輯黃宇
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