“功率係數”為電源供應器設計與製造帶來的四項效益
近年來，電源供應器經歷了一場重大變革。環保議題促使許多一般消費性產品提出更嚴格的待機電力(standby power)與效率要求，進而導致開放式架構應用及多數充電器和電源轉接器紛紛從線性式技術轉向交換式電源供應(switch mode power supplies, SMPS)設計。對製造商而言，交換式控制器IC的更高整合能力大幅簡化電源電路，加上成本較低的磁性元件，使得交換式電源供應器成為更容易設計且經濟的選擇。然而電源供應設計必須將可能發生的故障現象列入考慮，例如：馬達驅動系統可能故障熄火使得馬達汲取過多的電流，而在靜態負載時也可能發生故障，導致系統過載或短路，因此電源供應器的設計應能承受任何過載情況，而不造成自身故障、過熱或起火燃燒。一個設計良好的電源供應器不僅能控制過載功率以維持其可靠性，甚至還能將損害限制在其負載範圍內。
交換式電源供應器是一種電結構複雜的主動式電子系統，其單獨零件完全符合零件公差的規範。電源供應器必須在任何一種高低公差組合的規格範範內操作，這些公差可能在電路故障的狀況下產生作用，而這些相反公差的綜合效應可能造成龐大的過載電流。對電源供應設計人員而言，管理這些零件公差並不簡單，然而交換式電源供應控制器設計的一項新發展卻能讓這個工作更容易，並且節省零件成本。
圖1即為傳統離線式、非連續導通模式 (DCM) 的返馳式轉換器電路圖。
圖1：典型的非連續導通模式(DCM)返馳式轉換器
此一轉換器採用Power Integrations生產的TOPSwitch-GX控制元件[1]，包含1個700V功率MOSFET、振盪器和使用者可設定的限流值。當元件在正常操作狀態下，振盪器會在每個週期開始時讓功率MOSFET導通，等到電流升到限流值或回授訊號設定的負載週期結束時，MOSFET才會停止導通 (PWM控制)。一旦PWM控制器讓MOSFET停止導通，變壓器線圈兩端的電壓就會反轉，使得輸出二極體變為順向偏壓，電流也會通過次級線圈重新對輸出電容充電，同時提供電力給負載。
轉換器提供給負載的功率是與開關頻率、變壓器初級線圈電感、以及峰值初級電流的平方成正比，因此在設計變壓器時，必須確保當開關頻率和峰值初級電流都在規格允許的最小值時，變壓器仍有足夠的電感來提供所需電力。然而變壓器本身也有公差，例如許多變壓器的實際電感值可能與額定值相差達±12%，這表示兩個變壓器所能提供的電力最多會相差24%。峰值電流變異所造成的影響更大，這是因為轉換器所能提供的電力與峰值電流的平方成正比。我們可證明這三個參數的變異若達12%，那麼原本用來提供10W電力的交換式電源供應在極端負載條件下將能產生29.2W電力。詳細計算資料請參閱文獻 [2]。
為了承受故障時可能出現的3倍過載需求，前述設計必須使用超出原設計規格的輸出二極體、初級端箝位元件和變壓器，但這會大幅增加其體積、重量和成本。相較之下，Power Integrations新開發的產品則能大幅改善這個情形。
Power Integrations在其新設計的交換式電源控制器裡增加額外電路，並於元件出廠前的最後測試階段進行調校，以便控制開關頻率和最大電流平方乘積的最大值和最小值。這部份都列於元件資料表的一個新參數，稱為功率係數 (I2f)，下圖就是該參數可能造成的影響。
對於一顆不含I2f控制功能的PI元件，其開關頻率和最大電流的變異情形如圖2所示。
圖2：開關頻率 (fSW) 和MOSFET峰值電流乘積的可能變異範圍，這是根據元件規格表所列的容差計算而得
圖2左下角是IP MIN平方與fSW MIN的乘積，代表零件公差讓峰值初級電流和開關頻率減為最小時，轉換器所能提供的最大功率；右上角則是IP MAX平方與fSW MAX的乘積，代表零件公差讓峰值初級電流和開關頻率變為最大時，電源供應所能提供的最大過載功率。可以看出最大值和最小值之間相差達49%。
圖3是針對含有I2f控制功能的元件所繪出的變異圖。
圖3：fSW與IP變異值的乘積範圍，這是根據元件規格表所列的容差計算而得
根據TinySwitch-III元件規格表，其I2f參數的最小值比fSW和IP額定值 (目標值) 的乘積低1%，最大值則比該乘積高出1% [3]。
從圖3可以發現，藍線圖與紅線圖的最大區別是它的左下角和右上角都不見了，這表示相較於採用不含I2f功能的元件 (紅線)，具備I2f功能的元件 (藍線) 會讓變壓器初級線圈的電感值減少9%，負載能夠從電源取得的最大過載功率也會減少9%。這將為設計節省更多成本，因為它們只需使用規格較寬鬆的元件，就能承受最惡劣的過載現象。
仔細觀察圖3還可發現調校元件以滿足I2f參數要求後，IP的公差似乎也變得較小。由於IP是一項平方因數，因此一旦將其變異減到最小，電源供應即可得到更靠近額定值的輸出功率正常分佈曲線。
參考文獻2利用具有I2f控制功能的電源轉換控制器設計出一個充電器，並且提供了該充電器的測試資料。這個控制器範例的零件都經過特別選擇，確保其參數值都在公差範圍的最大極限。參考文獻2並以各種電壓及負載測試此應用範例，結果顯示其VI包絡線無論任何情形下都會留在規格範圍內。
功率係數帶來的四項效益
總而言之，功率係數 (I2f) 提供電源供應設計人員四大好處:
• 只需較小的初級線圈電感，就能在最惡劣條件下提供全功率輸出
• 減少負載在最惡劣條件下，能夠從電源供應取得的過載電力
• 控制兩個參數的乘積會比控制個別變異值更有效
• 嚴密控制輸出VI曲線，確保量產時符合規格要求
Power Integrations現已在生產TopSwitch-GX時調校I2f參數，TinySwitch-II/III、PeakSwitch和LinkSwitch等產品也已在元件規格表列出I2f功率係數。
參考資料
1. TOPSwitch-GX data sheet, revision O, Power Integrations, November 2005, pages 33 and 36
2. I2f: Making Power Supplies Easier to Design and Manufacture, Donald Ashley, John Jovalusky. Power Integrations, USA
3 TinySwitch-III data sheet, revision G, Power Integrations, June 2006, page 16.
近年來，電源供應器經歷了一場重大變革。環保議題促使許多一般消費性產品提出更嚴格的待機電力(standby power)與效率要求，進而導致開放式架構應用及多數充電器和電源轉接器紛紛從線性式技術轉向交換式電源供應(switch mode power supplies, SMPS)設計。對製造商而言，交換式控制器IC的更高整合能力大幅簡化電源電路，加上成本較低的磁性元件，使得交換式電源供應器成為更容易設計且經濟的選擇。然而電源供應設計必須將可能發生的故障現象列入考慮，例如：馬達驅動系統可能故障熄火使得馬達汲取過多的電流，而在靜態負載時也可能發生故障，導致系統過載或短路，因此電源供應器的設計應能承受任何過載情況，而不造成自身故障、過熱或起火燃燒。一個設計良好的電源供應器不僅能控制過載功率以維持其可靠性，甚至還能將損害限制在其負載範圍內。
交換式電源供應器是一種電結構複雜的主動式電子系統，其單獨零件完全符合零件公差的規範。電源供應器必須在任何一種高低公差組合的規格範範內操作，這些公差可能在電路故障的狀況下產生作用，而這些相反公差的綜合效應可能造成龐大的過載電流。對電源供應設計人員而言，管理這些零件公差並不簡單，然而交換式電源供應控制器設計的一項新發展卻能讓這個工作更容易，並且節省零件成本。
圖1即為傳統離線式、非連續導通模式 (DCM) 的返馳式轉換器電路圖。
圖1：典型的非連續導通模式(DCM)返馳式轉換器
此一轉換器採用Power Integrations生產的TOPSwitch-GX控制元件[1]，包含1個700V功率MOSFET、振盪器和使用者可設定的限流值。當元件在正常操作狀態下，振盪器會在每個週期開始時讓功率MOSFET導通，等到電流升到限流值或回授訊號設定的負載週期結束時，MOSFET才會停止導通 (PWM控制)。一旦PWM控制器讓MOSFET停止導通，變壓器線圈兩端的電壓就會反轉，使得輸出二極體變為順向偏壓，電流也會通過次級線圈重新對輸出電容充電，同時提供電力給負載。
轉換器提供給負載的功率是與開關頻率、變壓器初級線圈電感、以及峰值初級電流的平方成正比，因此在設計變壓器時，必須確保當開關頻率和峰值初級電流都在規格允許的最小值時，變壓器仍有足夠的電感來提供所需電力。然而變壓器本身也有公差，例如許多變壓器的實際電感值可能與額定值相差達±12%，這表示兩個變壓器所能提供的電力最多會相差24%。峰值電流變異所造成的影響更大，這是因為轉換器所能提供的電力與峰值電流的平方成正比。我們可證明這三個參數的變異若達12%，那麼原本用來提供10W電力的交換式電源供應在極端負載條件下將能產生29.2W電力。詳細計算資料請參閱文獻 [2]。
為了承受故障時可能出現的3倍過載需求，前述設計必須使用超出原設計規格的輸出二極體、初級端箝位元件和變壓器，但這會大幅增加其體積、重量和成本。相較之下，Power Integrations新開發的產品則能大幅改善這個情形。
Power Integrations在其新設計的交換式電源控制器裡增加額外電路，並於元件出廠前的最後測試階段進行調校，以便控制開關頻率和最大電流平方乘積的最大值和最小值。這部份都列於元件資料表的一個新參數，稱為功率係數 (I2f)，下圖就是該參數可能造成的影響。
對於一顆不含I2f控制功能的PI元件，其開關頻率和最大電流的變異情形如圖2所示。
圖2：開關頻率 (fSW) 和MOSFET峰值電流乘積的可能變異範圍，這是根據元件規格表所列的容差計算而得
圖2左下角是IP MIN平方與fSW MIN的乘積，代表零件公差讓峰值初級電流和開關頻率減為最小時，轉換器所能提供的最大功率；右上角則是IP MAX平方與fSW MAX的乘積，代表零件公差讓峰值初級電流和開關頻率變為最大時，電源供應所能提供的最大過載功率。可以看出最大值和最小值之間相差達49%。
圖3是針對含有I2f控制功能的元件所繪出的變異圖。
圖3：fSW與IP變異值的乘積範圍，這是根據元件規格表所列的容差計算而得
根據TinySwitch-III元件規格表，其I2f參數的最小值比fSW和IP額定值 (目標值) 的乘積低1%，最大值則比該乘積高出1% [3]。
從圖3可以發現，藍線圖與紅線圖的最大區別是它的左下角和右上角都不見了，這表示相較於採用不含I2f功能的元件 (紅線)，具備I2f功能的元件 (藍線) 會讓變壓器初級線圈的電感值減少9%，負載能夠從電源取得的最大過載功率也會減少9%。這將為設計節省更多成本，因為它們只需使用規格較寬鬆的元件，就能承受最惡劣的過載現象。
仔細觀察圖3還可發現調校元件以滿足I2f參數要求後，IP的公差似乎也變得較小。由於IP是一項平方因數，因此一旦將其變異減到最小，電源供應即可得到更靠近額定值的輸出功率正常分佈曲線。
參考文獻2利用具有I2f控制功能的電源轉換控制器設計出一個充電器，並且提供了該充電器的測試資料。這個控制器範例的零件都經過特別選擇，確保其參數值都在公差範圍的最大極限。參考文獻2並以各種電壓及負載測試此應用範例，結果顯示其VI包絡線無論任何情形下都會留在規格範圍內。
功率係數帶來的四項效益
總而言之，功率係數 (I2f) 提供電源供應設計人員四大好處:
• 只需較小的初級線圈電感，就能在最惡劣條件下提供全功率輸出
• 減少負載在最惡劣條件下，能夠從電源供應取得的過載電力
• 控制兩個參數的乘積會比控制個別變異值更有效
• 嚴密控制輸出VI曲線，確保量產時符合規格要求
Power Integrations現已在生產TopSwitch-GX時調校I2f參數，TinySwitch-II/III、PeakSwitch和LinkSwitch等產品也已在元件規格表列出I2f功率係數。
參考資料
1. TOPSwitch-GX data sheet, revision O, Power Integrations, November 2005, pages 33 and 36
2. I2f: Making Power Supplies Easier to Design and Manufacture, Donald Ashley, John Jovalusky. Power Integrations, USA
3 TinySwitch-III data sheet, revision G, Power Integrations, June 2006, page 16.
