七步驟設計一個好的AC/DC電源供應器

2020-10-22

七步驟設計一個好的AC/DC電源供應器

AC-DC 電源供應器是什麼？

AC-DC電源供應器（AC-DC Power Supply）是一種將交流電（AC）轉換為直流電（DC）的設備，這種轉換對於許多電子設備來說是必需的，因為大多數電子設備需要穩定的直流電壓來運行（例如插入筆記型電腦的外部變壓器、影音撥放器、電視遊樂器等。基本上所有的消費性、工業用電子產品都需要AD-DC轉換設備，而轉換過程通常涉及以下幾個步驟：變壓、整流、濾波和穩壓。

工作原理

變壓（Transformer）：首先，交流電通過變壓器將電壓降低到所需的範圍。變壓器的初級線圈接到交流電源，次級線圈則輸出經變壓後的交流電。
整流（Rectification）：經變壓後的交流電通過整流電路（通常是二極體橋式整流器），將交流電轉換為脈動直流電。
濾波（Filtering）：脈動直流電經由濾波器（通常是電容器和電感器）進行平滑處理，去除脈動成分，生成較平滑的直流電。
穩壓（Regulation）：最後，穩壓器調整直流電壓，確保輸出電壓穩定，無論輸入電壓或負載的變化如何。

應用和類型

AC-DC電源供應器在各種電子設備中都有廣泛應用，包括家用電器、計算機、通信設備、醫療設備、工業控制系統等。根據應用需求的不同，AC-DC電源供應器有多種設計和配置：

線性電源供應器（Linear Power Supply）：這種電源供應器以變壓器和線性調節器為基礎，體積較大，但輸出穩定且噪音低。由於效率低，熱損耗大，現今多用於對噪音要求極高的音響系統。
開關電源供應器（Switching Power Supply）：又稱為開關模式電源供應器，利用高頻開關技術，效率高，體積小，適用範圍廣泛。這種電源供應器能在更小的體積內提供更高的功率，是目前市場上的主流產品。

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。

全漢AC-DC power supply 推薦

全漢為全球領先的電源供應器廠商，且具有非常豐富的產業實戰經驗，於1993年成立時就與intel組成策略聯盟，成功開發出ATX規格系列產品，現今產品線已擴增至UPS系統、應用於各式利基領域的電源供應器產品，提供企業ODM及OEM服務。全漢產品以客戶為導向，遵守各種 ISO 標準的措施，並提倡自家的品質保證和安全標準(PCDA)，在市場上有充足的口碑及創新能力。如應用於電氣設備的基板電源產品就提供以下規格及功能（詳見連結）：

客製化 - 基板電源供應器可輕易安裝在任何電氣裝置機殼內便利且安全的位置
不同的外型規格 - 全漢製造 2x4 吋和 3x5 吋的基板電源供應器。我們也可以依據特殊設計和規格製造基板電源供應器
瓦數和電壓 - FSP 的基板電源供應器有 30W 至 450W 和 5V 至 54V 輸出電壓 (包括 12V+54V) 可供選擇

前往了解 >> 全漢基板電源產品

工業電腦應用之電源產品：

符合 IEC 62368 和 IEC 60950 安全標準
可應對極端溫度且具有高 MTBF (故障前平均時間) 額定值
獲得 80 Plus 金牌和白金牌認證
瓦數從最低 100 W 到最高 3,000W 不等。我們的工業電腦電源供應器也有多種輸入電壓可供選擇，包括 115 V AC、230 V AC、LVDC 和 HVDC

前往了解 >> 全漢工業電腦電源產品

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。