电源供应器

交換式電源供應器概念簡述

＊課程內容：

(一).交換式電源（以下簡稱SMPS）之用途

(二).SMPS常用之架構和種類

(三).常見之規格內容及名詞解釋

(四).如何設計SMPS及成本考量

(五).SMPS製造流程

(六).SMPS測試設備

之用途：

我們先以日常生活中會用到的電器用品來說明，清早起來打開電子式日光燈或電子式檯燈，刷牙時，充電

式電動牙刷之充電器，用遙控器打開電視機看新聞，用電磁爐或微波爐加熱早餐，出門搭電梯下樓，進入辦

公室時，放眼望去每一種需插電的事務機器，電話、傳真。。。，大致可以說需用到電的產品，就是SMPS的

可能用途。所需的規格要求及線路架構則隨使用場所，價格上會有極大差異。

以一般我們選用的電子零件，其溫度範圍就可分為：

商業用（0～70℃）

工業用(-25～125℃)

軍事用(-40～125℃)

而SMPS也會因為使用的周圍環境溫度範圍，而區分不同的等級：

商業用（0～40℃）------一般怎么设置微信朋友圈只显示三天 日常生活所接觸到的電器用品，如電腦、影印機所使用者

工業用(-20～71℃)------工業產品所使用的POWER，如SMD機器、CNC機器中的POWER即是

軍事用(-40～125℃)------軍事用途，如飛彈、戰艦、坦克中所用到的POWER

不同的溫度範圍，所選用的零件就不相同，其價格當然也不同

常用之架構和種類：

2.1.依輸出/輸入使用的電壓高低可分為：（適用於非隔離的環境＊）

＊所謂非隔離的環境：如同下列所提的環境，都是自己形成一個系統，輸面包烘焙 入與輸出共地，不會與其他的

系統連線，而且接地良好，不會對使用者有漏電的危險，例如其中所提的系統

輸入都屬於低電壓輸入，而且使用者接觸的機殼都是接地（GROUND），沒有被

電到的危險。

(a).降壓式(Buck):輸入比輸出高,例如卡車之車用冰箱中的POWER將24V轉12V

交換式電源供應器概念簡述

Fig.2-1

(b).升壓式(Boost):輸入比輸出低，例如電擊棒將電池電壓9V升高為1000V

Fig.2-2

(c).降升壓式(Buck-Boost):輸入比輸出低或高,例如汽車充電器充筆記型電腦19V電池，而汽車電池

有轎車12V及卡車24V兩種

交換式電源供應器概念簡述

Fig.2-3

（線路動作原理請參見相關SMPS基本原理說明）

2.2.一般常用架構可分為：(適用於需隔離的環境＊)

＊所謂需隔離的環境：用專業術語來說就是──輸入與輸出不共地，例如帛漢的DC／DC使用於網路卡，而

網路連線就是一個典型的隔離環境，因為兩部電腦的輸入接地不一定相同（插

頭不一定插同一方向），如果使用非隔離的電源，將會天下大亂，而且會有

因兩部電腦地的電位不同，造成兩部電腦間大電流流動，而使保險絲燒毀。

(a).自激式(FreeRunning)：0.5W～50W

自激式一般稱為RCC線路，是返馳式的其中一種架構，其震盪頻率隨負載

而變：輕載時振盪頻率高，重載時震盪頻率低。

(b).返馳式(Fly-Back):3W～200W

在此將其定義為常見的定頻式PWM（脈波寬度調變式）架構，其脈波寬度

隨負載而變：輕載時脈波寬度窄，重載時脈波寬度寬。能量轉移是靠N-MOS

Q1ON時先存於主變壓器T1的GAP中,N-MOSQ1OFF時，主變壓器的能

量，經由D1傳到輸出電容C1。而Rs則是用來偵測輸出瓦數，達到保護的

目的。

Fig.2-4

(c).前饋式(Forward)：60W～300W

前饋式(Forward)的動作原理與返馳式(Fly-Back)接近，唯其能量是

於Q1ON時先經由D1存於CHOKEL1中（T1沒有GAP），Q1OFF時，L1

的能量經由D2傳到輸出電容C1。注意T1的磁滯曲線只在第一相限活動。

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Fig.2-5

(d).推挽式(Push-Pull)：150W～600W(Half-Bridge)

600W以上(Half-Bridge)

推挽式(Push-Pull)的動作原理則又與前饋式(Forward)接近，只是T1

的磁滯曲線則在第1＆3相限活動。

Fig.2-6

2.3.一般種類可分為：

(a).ACtoDC(Adapter):常用於日常生活中，如計算機、筆記型電腦、無線電話機、充電器…

(b).DCtoAC(Inverter):如筆記型電腦中背光板燈管用電源

(c).DCtoDC(Converter):如帛漢現有產品5V轉9V

(d).ACtoAC(Converter):如變頻器、電子式安定器……

3.常見之規格內容及名詞解釋：

一般規格區分為以下內容：

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AC或DC輸入要求……………………………….………….(3.1).

AC或DC輸出要求………………………………………....(3.2).

異常使用保護(Protection)……………………………….(3.3).

操作環境要求(OperationEnvironment)………………..(3.4).

Safety(安規)及各國國家標準……………………………….(3.5).

EMIConduction(電磁傳導)&Radiation（電磁輻射）…(3.6).

MTBF(MeanTimeBeforeFailure)可靠度要求………….(3.7).

機構…………………………………………………………..(3.8).

名詞解釋…………………………………………………….(3.9).

現分述如下：

或DC輸入要求:

(a).InputVoltageRange:輸入電壓範圍（V），最低～最高，例如：台灣、美國為90～135Vac,

歐洲、大陸則為180～264Vac.若為Universal則為90～264Vac。

(b).InputFrequency:輸入AC電源的頻率（Hz），視各國發電機系統而定，例如：日本為50Hz,

台灣為60Hz，歐洲、大陸為50Hz。

(c).Inru微波炉米饭 shCurrent:輸入突波電流（A），指開機瞬間或剛插插頭時，流過電源線的尖波電流，通常

於冷開機狀態下測得為標準。造成的原因是SMPS輸入端有電容，開機瞬間電

容需要充電而形成類似短路，於是產生尖波電流，需要於輸入回路加入熱敏電

阻予以限制，否則會造成斷路器跳脫。一般要求：115Vac時＝30AMax.,而

230Vac時＝60AMax.。

(d).urrent:最大輸入電流（A），出現於最低輸入電壓時，通常加入10％誤差。算

法為：

urrent(A)=

輸出瓦數

X100%

VinMin.*Efficiency*Cos*0.9

*該電流值被要求寫在LABEL上。

(e).InputEfficiency:輸入效率（％），例如：輸出瓦數＝5W,輸入瓦數＝10W,則效率＝5／10，

即為50％。

InputEfficiency(%)=

輸出瓦數

X100%

輸入瓦數

＊輸入瓦數係從瓦特表讀到的實功率值，不含功率因數的虛功率（Cos）

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(f).ACInputPowerFactor:交流功率因數（Cos），表示輸入電壓與電流的相位差，一般SMPS

的輸入阻抗為電容性（因輸入有一個大電容），電壓波形將落後電流波

形，而馬達類產品則呈現電感性，電壓波形將超前電流波形；這種使電

壓與電流不同相位，將對發電廠造成虛功率，其值的大小為該相位差角

度取Cos值，例如：有一部SMPS使AC輸入電壓波形落後電流波形45，

則Cos＝0.707,表示若發電廠供應100瓦交流電力（電表讀到）給該

SMPS，則實際功率只有70.7瓦，如果該SMPS的效率為50％，則輸出端

得到的功率輸出為35.35瓦，意思就是說當我們於該SMPS輸出端負載

35.35瓦，對發電廠來說是100瓦的負載（電表讀到）。而一般未加功

率因數補償的SMPS，在AC115V時Cos＝0.6,AC230V時Cos＝0.5,

甚至更低，不難想像為何歐洲要要求SMPS加入功率因數補償線路。

附註：功率因數補償線路分為主動式（Active）與被動式(Pasive)，主動式

的Cos＝0.9Min.,而被動式的Cos＝0.7Typ.

或DC輸出要求:

(a).OutputAccuracy:輸出電壓容許誤差值（％），一般為5％，輸出電壓簡稱Vo

(b).:最大輸出負載電流（A），亦即為該SMPS設計的最大輸出瓦數，因為P＝V＊I，例

如：一部5V的SMPS，標示最大輸出負載電流Io＝2A,即表示最大持續輸出瓦數＝

10W.

(c).:最小輸出負載電流（A），標示最小的輸出負載電流，表示該SMPS為維持輸出電壓穩

定，所需的最小輸出電流，Adapter的為0A.

(d).PeakLoad:短時間輸出負載電流（A），簡稱：Ipeak，表示該SMPS可允許短時間的輸出負載電

流，通常時間為30秒，而負載為的1.2～1.5倍，視負載的產品而不同。

例如傳真機Ipeak為Io的5倍左右，ExternalHardDisk為1.4倍左右。

(e).OutputRipple:漣波（mV），由於SMPS本身是靠連續不停的振盪，有一個基本震盪頻率，每一

個週期都有ON與OFF，輸出電容不停的充放電，於是輸出電壓上就重疊著一個交

流的成分，稱為漣波。該漣波隨負載大小而變,一般為輸出電壓值的1％，例如：

5V輸出時，漣波規格為50mVMax.

(f).OutputNoi:雜訊（mV），以前面SMPS架構中的Fly-Back為例，可以看到初級端有MOSQ1，

次極端有DiodeD1,在每一個週期ON／OFF時，由於半導體的特性，當腊肠怎么做好吃 打開或關

閉時，都會有上升與下降的時間延遲，而在ON／OFF轉態時，MOSQ1與DiodeD1

會有一極短暫的時間是同時ON，此時就電路而言會產生很大的電流通過Q1、D1，

於是在輸出電壓上產生雜訊，這同時也是EMI不良的兇手，一般的SMPS很難克服

交換式電源供應器概念簡述

這問題，都是靠輸出端再串一級L─C濾波（參見方塊圖），而且規範測試時，示

波器頻寬要小於20MHz,並且需要並聯電容，這實在是不得已的。

(g).Hold-UpTime:維持時間（mS），當AC輸入電壓OFF（關機、停電）時，輸出電壓維持正常的持

續時間，通常標示為20mS/@115Vac,60HzFullLoad,該值是由輸入電容與

變壓器的圈比來決定，電容越大維持時間越長。

(h).RiTime:輸出上升時間（mS），輸出電壓從10％爬升到90％的時間，通常為50mS.

(i).PowerGoodSignal:輸出OK（mS），一般PC用到多組輸出，為使各電路運作正常，於是需要於

開機時，有一個齊步走的訊號，代表各個電壓已完全正常。該訊號的規格為；

比＋5V延遲100～500mS。

(j).PowerFailSignal:輸出Fail（mS），與PowerGood是同一個訊號PIN，當電源OFF時該訊號

需提早歸零，通知CPU電源已經OFF了，趕快將該存的資料存起來。該訊號

的規格為；比＋5V提早1mSMin.

(k).Over-Shoot:由於SMPS受限於振盪頻率，對輸出電壓無法像Linear線路般隨時監控著，於是當

輸出負載切換時（比如重載切輕載），輸出電壓會有一段盲點，出現往上衝的現象，

定義往上衝多少就稱為Over-Shoot，一般為5％。

(l).Under-Shoot:如同Over-Shoot，輸出電壓在盲點時也會往下掉，定義往下掉多少就稱為Under

-Shoot，一般為5％。

(m).LineRegulation:輸入穩壓率（％），當輸入電壓由最低（90Vac）變化到最高(135Vac)，此時

輸出電壓的變化率稱為LineRegulation，例如：輸入電壓90Vac時Vo=Vo90,

輸入電壓115Vac時Vo=Vo115,輸入電壓135Vac時Vo=Vo135，取最大偏

差值與115Vac比較時，算法如下

LineRegulation(%)=

Vo最大偏差值–Vo115

X100%

Vo115

＊通常規格為1％

(n).LoadRegulation:負載穩壓率（％），當負載電流由最低（）變化到最高()，

此時輸出電壓的變化率稱為LoadRegulation，例如：最低負載電流時Vo=Vo

ML，最高負載電流時Vo=VoFL，算法如下

LoadRegulation(%)=

VoML()–VoFL()

X100%

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VoFL()

＊此時的大小對負載穩壓率的影響非常大，需要與客戶密切的溝通，如果Min.

Load標示太小，而LoadRegulation要求也要小，則勢必要加上假負載在SMPS這一端，

造成InputEfficiency又比較難符合。

＊通常規格為5％，但會隨著輸出的組數增多或選用的電路架構而不同

＊測試的定義也會因各個廠家的習慣而不同

(o).CrossRegulation:交互穩壓率（％），當SMPS輸出不只一組時，另外一組負載的輕與重會對本

組輸出造成影響，例如：V1=+5V,V2=+12V，+12V的負載輕與重情況會造

成+5V的輸出變化，再加上+5V本身負載也有輕與重，於是產生4種組合情形，

現僅算其中+5V本身於輕載時的算法如下

CrossRegulation(%)=

+5Vo(+12V@20%Load)–+5Vo(+12V@100%Load)

X100%

+5V(+12V@100%Load)

＊通常規格定義各組負載變化＝20％～100％FullLoad，由於輸出越多則組合情形

越多，生產時則選情況最差時的組合條件來測

(p).CombineRegulation:綜合穩壓率（％），將LineRegulation與LoadRegulation的條件同時

加入SMPS測試，算法同上

(q).TransientRecoveryTime(TransientRespon):當負載由規定的速度（A／uSec）變化某一個

％FullLoad時，輸出電壓恢復穩定所需的

時間，一般規格為250mSMax.

3.3.異常使用保護(Protection)

(a).OverVoltageProtecti产品销售合同 on:過電壓保護，當輸出電壓上升到某一額定電壓時，過電壓保護電路即

發生動作，使輸出電壓降到零或維持某一設定的值，達到保護SMPS

的目的；一般規定過電壓為正常電壓的1.1～1.3倍。

(b).OverCurrent(Load)Protection:過電流保護，當輸出電流增加到某一設定值時，過電流保護

電路即發生動作，使輸出電流不再增加，甚或降到零或維持某

一設定的值，達到保護SMPS的目的。通常有加入該參數者，

即需要加上定電流電路

(c).O雌激素高的原因 verPowerProtection:過功率保護，當輸出瓦數增加到某一設定值時，過功率保護電路即發生

動作，使輸出瓦數不再增加，進而往下降直到降為零，達到保護SMPS

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的目的。

(d).OverTemperatureProtection:過溫度保護，當SMPS本身某一含有偵測溫度電路的零件達到設

定的溫度時，即觸發電路動作，使該SMPS停止輸出，進而使溫

度下降，達到保護SMPS的目的。

3.4.操作環境要求(OperationEnvironment)

(a).Temperature:全載情況下，可容許的操作溫度範圍，例如：0℃～40℃

(b).Humility：指該SMPS可容許的濕度環境，例如：20％～85％RH

(c).Attitude：指該SMPS可容許的相對高度，例如：10000ft

(d).Vibration:指該SMPS符合的震動條件，參見各廠家的要求。

(e).Shock:指該SMPS符合的衝擊條件，參見各廠家的要求。

(f).Cooling:冷卻方式，一般有：

AirConvection(對流):自然散熱

Conduction（傳導）:以散熱器幫忙散熱

AirForce（風扇）:以風扇吹

(安規)及各國國家標準

(a).LeakageCurrent:（漏電流）

指輸入端對外殼的漏電流量,一般商業用為750uA,一般醫療安規為250uA,美國地區甚至要求

100uA以下

(b).Hi-PotTest:（耐高壓測試）

有接地的系統(ClassⅠ.)要求：

(1).初級(Primary)<=>次級(Secondary):1500Vac/60秒

(2).初級(Primary)<=>接地(F.G.):1500Vac/60秒

無接地的系統(ClassⅡ.)要求：

(1).初級(Primary)<=>次級(Secondary):3000Vac/60秒

(c).常見的安規LOGO如下：

UL…………………………………….美國

CSA…………………………………..加拿大

TUV…………………………………..歐洲

VDE……………………………………德國

T-Mark………………………………..日本

Semko/Nemko/Demko/Fimko…..北歐四國

CE……………………………………..歐盟

duction(電磁傳導)&Radiation（電磁輻射）

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常見的EMI要求如下：

(a).FCC……………………………………美國

(b).CISPR………………………………歐盟

(c).VCCI……………………………….日本

(d).BCIQ……………………………….台灣商檢局

(MeanTimeBeforeFailure)可靠度要求

常見的MTBF要求分為兩種：

(a).根據MIL-STD-217計算預估壽命，一般公司在產品初期大多採用該方式。

(b).實際BURN-IN，根據取樣數及不良品數，計算得到產品壽命值。該方式應為最準確的方法，但

重點是不良品的定義及測試值的取得，困難度非常高，不是一般公司可以做到的。

3.8.機構：

基本要求如下：

(a).外觀形狀…如MetalCa,OpenFrame,Plasticca…,有無風扇，風扇氣流量等。

(b).PCB尺寸、限高區標示

(c).輸入、輸出連線方式，使用廠牌型號等

(d).LABEL內容

(e).包裝方式、運輸方法、輸往何方

3.9.名詞解釋：

(a).DirectOFFLine:直接從市電取得供應電力，不需加任何電源變壓器的裝置

(b).PWMCircuit：PulWidthModulationCircuit，該電路的頻率固定，當回授電路得知輸出

電壓不足時，經由改變波寬大小而使輸出電壓恢復的電路稱之。

(c).CurrentFoldback:過電流保護的其中一種現象，當負載電流增加到轉換點時，輸出電流反折

下降，並使輸出電壓降為零的保護動作稱之。

(d).Crow-BarProtect:撬桿式過電壓保護，當輸出電壓超過某一預設位準時，輸出端會快速被短

路，而使輸出電壓變為零的一種過電壓保護電路。

(e).SoftStart:緩開機，是為一種電路控制方式，可防止SMPS於開機瞬間對輸入端產生巨大的電

流需求，得以順利開機，一般在DC／DC上很需要這種電路控制方式，這樣可以減

低對輸入端的負載效應。

4.如何設計SMPS及成本考量

當要設計一台SMPS時，價格是最重要的因素，真正符合客戶需要的產品，才是最好的設計。一般設

計步驟如下：

(a).電氣／機構規格確認：

(b).需求數量、交期

(c).線路架構選定、估價

(d).一次樣品Layout及試作（變壓器計算、電容選擇、散熱片選用….）

交換式電源供應器概念簡述

(e).送樣樣品Layout及試作（電氣、溫升、EMI、機構）

(f).送樣文件製作（電氣/機構規格書、線路圖、材料表）

(g).自我內部評估

(h).送樣給客戶

製造流程

當SMPS經過客戶的R/D、QA人員測試(電氣特性、機構尺寸、Conduction、Radiation、Safety、CE),對

方的採購人員應會先下一小量訂單(PilotRun)以配合對方的系統申請CEorSafety;若此時power本身已

經有Safety,則進行的速度會較快,所以一般採購在詢價時,Safety通常是第一個考量點。但對power廠

而言,Safety卻是一個非常大的負擔,基本三個安規申請下來60萬台幣省不掉。現另就SMPS在廠內的製造

過程(全製程)敘述如下:

(a).工程部發行生產資料:

•電氣規格書

•機尺寸規格書

•線路圖

•材料表(BillOfMaterial簡稱B.O.M.)

•測試規格表(上下限規格&測試項目)

•PCBLayout圖

•生產注意事項

•零件承認書

(b).生管人員排定物料進入點、製造上線點

(c).採購人員採購材料(LeadTime)

(d).材料進入IQC檢驗(AQL制定)

(e).白山药怎么做好吃 材料依各階分發至生產線開始製造

(f).自動插件

(g).手插零件插件(零件另外事先加工)

(h).過錫爐(錫爐管制)

(i).剪腳

(j).過二次錫爐

(k).補焊及手工補焊零件

(l).電氣初測

(m).組立外殼等

(n).BURN-INTest(2~4小時)

(o).Hi-pot/Grounding

(p).成品測試

(q).貼Label(因有SafetyMark所以Label務必在已報備過的工廠中貼)

(r).包裝

(s).FQC人員檢驗

(t).入庫(當成品放置超過一年者需出庫BUNR-IN)

現在很多工廠採用短腳作業已省下(i)及(j)

交換式電源供應器概念簡述

測試設備：

現先就AC／DC為例說明如下：

6.1.工程部：

(a).ACSource---------------容量1KVA,一般均含PowerMeter功能

(b).DCPowerSupply---------0～30V／3A，雙輸出

(c).Oscilloscope------------100MHz示波器

(d).StorageScope-----------100MHz儲存式示波器

(e).ElectricLoad-----------4組負載

(f).CurrentProbe-----------簡易型勾表

(g).溫度計錄器--------------12Channel以上

(h).Hi-PotTester-----------5KV耐壓測試機

(i).SpectrumAnalyzer-------頻譜分析儀

6.2.品管部：

(a).ACSource---------------容量1KVA,一般均含PowerMeter功能

(b).DCPowerSupply---------0～30V／3A，雙輸出

(c).Oscilloscope------------100MHz示波器

(d).ElectricLoad-----------4組負載

(e).溫度計錄器--------------12Channel以上

6.3.製造部：

(a).A.T.E.------------------自動測試系統，含ACSource,ElectricLoad,MeasureUnit.

(b).Hi-PotTester-----------5KV耐壓測試機

(c).LeakageCurrentMeter--夏天词语 -漏電流表