1、交換式電源供應器變壓器應用,JERRY LIU 2007.08. 21,交換式電源供應器常用的Topology,返馳式 ( Flyback )順向式 ( Forward )全橋式 ( Full Bridge )半橋式 ( Half Bridge )推挽式 ( Push Pull ),返馳式 ( Flyback ),常用於150W以下，由於它的變壓器又兼作輸 出儲能電感使用，且次級端僅需一個二極體，故電路簡單成本低廉，以成本的角度說， 它幾乎是沒有別的電路所能取代的。由L1、PFC IC、Q1、D1 和C1組成PFC stage，用來調整電源供應器的功率因數。 返馳式的輸出部分不需要額外的電感器
2、，但在實際電路應用時為了 抑制高頻的尖波雜訊，還是會在二次側整流器與輸出電容間加一小 型電感器。變壓器1 因為有氣隙之故，其初級圈具有隔離、變壓和電感的三重 功能，藉由Q2 電子開關作用將儲存於在變壓器的能量傳遞給次級側，再藉由電容2 的充電保持功能來得到直流電壓Vo，此外改變 變壓器初、次級的圈數，就可以得到想要的電源。 返馳式變壓器的輸入輸出繞組，其極性是相反的。 3. 環保要求是在滿載70W 以下的電源產品，當負載沒有輸出功率的情況下，輸入電源仍照常供應時，電路消耗功率必需小於1W下。,順向式 ( Forward ),常用於150W-400W，與返馳式電路的主要差別在於Power sta
3、ge 的次級側部分，順向式多用了一個肖特基二級體D 和電感L，當Q2 截止時，隔 離變壓器T1 之繞組上的電壓極性會反轉，使得D2 二極體變成逆向偏壓而 不導通，而D 二級體則處於導通狀態，此時負載端之能量，則由L和C 所儲 存的能量經由D 來供給。2. L 和C 除了做為低通濾波器之外，亦為一儲能元件。由於在電晶體Q2 關 閉（OFF）時來自T1 初級側的反向電壓會和C 上 的輸出電壓相累積而成 為兩倍的PFC Stage 輸出電壓，故Q2的耐壓必需高達800V以上，實務上通 常都採用耐壓800V 的MOSFET。3. Forward 電路的特點為（1）輸出功率可高於150。（2）流經變壓器
4、初 級側及次級側的電流較小（因為變壓器不作電感作用，無需加氣隙，故感 量高電流小），因此變壓器的銅損（Copper less）小，所以溫升小一點的 變壓器。（3）成本增加，因為Power stage 的輸出端多用了一個二極體D 和電感L 之故。 第三繞組與一次側繞組需緊密的繞在一起，或用雙線並繞，如此方可減少因洩露電感而產生致命的尖波電壓。,全橋式 ( Full Bridge )可供數百W半橋式 ( Half Bridge )供千W以上,1. 全橋式電路，其PWM IC 所產生的控制信號，其中Q1、Q4 為同步運作，而Q2、Q3 為同步。類似半橋式電路。2. 若PFC stage 的輸出為40
5、0V，則變壓器之初級側電壓VC 亦為400V，Q1、Q4 導通而Q2 、Q3 所需的耐壓約為400V。VC 經由變壓器耦合到次級，次級側的電流經D2 把能量儲存在電感L 中並供應到輸出VO 端。3. 是當Q1、Q4 、Q2、Q3 為OFF，稱為截止時間（dead time），此時變壓器的初級側完全沒有能量耦合到次級側，而落在Q1、Q4 、Q2、Q3 的壓降約各為200V，次級側則將上一個狀態儲存在電感L 能量釋放到負載。4. 在相同的輸出功率下，由於全橋式電路的變壓器輸入電壓VC 為半橋式的兩倍，因此流經全橋式電路晶體開關的電流僅有半橋式電路的一半，所以若使用相同耐電壓、耐電流的電晶體，全橋式
6、電路輸出的功率可比半橋式大一倍。,推挽式 ( Push Pull ),1.推挽式電路和半橋式電路同樣使用兩個開關元件，只是電路的接法不同，然而為何較大功率需求的產品如UPS、通信設備或儀器用電源大多仍使用此種架構呢？其實是由於半橋式電路的變壓器初級側電壓值VC 約為Vd/2，而推挽式電路的VC約為Vd，當變壓器要傳遞相同能量時，半橋式電路的變壓器初級側電流要比推挽式電路高上一倍，使得變壓器本身的磁滯損失和渦流損失增加而提高溫升，而使用較大的變壓器不僅增加成本，在某些應用上由於變壓器體積變大而顯得較為麻煩。2. 但其缺點是開關元件需使用耐壓高達800V 以上的MOSFET，故以價格導向且數量龐大
7、如個人電腦的ATX 電源供應器市場較不會使用它，而採用半橋式架構為多。,EMI / EMC 干擾問題, 降低EMI最有效的方式是控制信號之分布，以及它們的源 頭，其中主要會是來自於IC中的高速切換電流產生。 而幾乎所有的EMI干擾來自於產品中某處存在之共模電流。也是線路中迴返電流的工作信號產生的高頻諧波所造成的干擾。 有電流流經一個完整的環路，就會有電感存在，當電流流過此電感阻抗時會產生一個電位差，此一電位差會導致接地參考平面的雜訊信號源位準降低，造成EMI輻射的產生。 也可能是Coupling效果，從雜訊源像天線一樣輻射產生電場或磁場的耦合，此電場耦合產生寄生電容效應對電流提供了一個低阻抗的
8、路徑，造成了干擾現象。,變壓器安規要求考慮因素,安全距離包含空氣介質間隙(空間距離)，爬行距離(延面距離)和絕緣穿透距離。1.空氣間隙：兩相鄰導体或一導体與相鄰的機體表面的沿空氣間的最短距離。 2.延面距離：兩相鄰導体或一導体與相鄰的機體表面延絕緣表面的最短距離。,變壓器安規要求考慮因素,1.空氣間隙:根據實際的電壓及絕緣等級來決定距離 一般電子元件在一次側交流對直流部份 2.0mm 跨接於一次測與二次側之間的元件部份 4.0mm 二次側對大地 1.0mm 但依變壓器在空氣間隙上需 1.0mm來計算。2. 延面距離:根據實際的電壓及絕緣等級來決定距離 一般電子元件在一次側交流對直流部份 2.0
9、mm 一次側與二次側之間的元件 6.4mm 可開槽 變壓器初次級之間 8.0mm 以上來符合TUV規範3. 絕緣穿透距離:根據實際的電壓及絕緣等級來決定距離 對工作電壓不超過 50V 無厚度要求。 附加絕緣最小厚度應為 0.4mm,變壓器安規上需考慮的因素,一次側與二次測間的絕緣膠帶至少需兩層以上若使用三層絕緣線則不在此限，若應視工作電壓而定。POWER75W擋牆膠帶需4mm寬度。BOOST架構下POWER100W擋牆膠帶需5mm寬度以上。PRIMARY PIN延BOBBIN到CORE的距離+CORE延BOBBIN到SECONDARY PIN的距離需=擋牆寬度的兩倍。三層絕緣線彎角45度時彎角處就不視為絕緣材。三層絕緣線銲錫後，使絕緣層內縮，裸露銅線使安規距離不足。一般安規的延面距離還是以實際電壓為主要參考，如:實測電壓RMS為1,400V，則延面距離需為其2倍計算 ( 1mm約可承受電壓為50V)。但若以空氣作為間隙距離，則至少須有1mm的間隙在安規上才被認可一般大多將鐵芯做為一次側，所以在安規絕緣上亦可以將其視為一次側。Bobbin為一般較會忽略的部份，應考慮實際電壓RMS值得2倍壓作為耐壓要求。,
