臺灣博碩士論文加值系統

本論文旨在提出一個可供嵌入式x86系統使用的高效率電源模組。此電源模組的總體輸出為180W。其中順向式電源轉換電路用來提供主電源+12V/9A，而在次級側的部份，則使用了降壓技術來提供兩組電源+5V/8A及+3.3V/8A。當電源模組在待機狀態時，則使用返馳式電源轉換電路來提供+5V/1.5A的待機電源。相較於傳統的線性電源電路，由於其架構上僅透過一個直流對直流轉換層級，所以本設計能有效提升整體的轉換效率，在電路成本上及體積上亦同時降低。

This thesis presents a high efficiency AC-DC power module suitable for embedded x86 system. The total output power of the module is 180W. A forward power switching circuit is used to supply the main power. A synchronous buck technology is used to supply two sets of power (+5V/8A and +3.3V/8A) in the secondary-side. The flyback converter is used to supply the power (+5V/1.5A) when the system is in the standby mode. Compared to the traditional power supply, this architecture not only increases the overall efficiency of the module but also reduces the cost and volume of the module.

摘要I
Abstract II
誌謝III
目錄IV
圖目錄X
表目錄XIV
略語表XV
第一章 導論1
1.1 研究動機及目的1
1.2 研究內容3
1.3 論文架構4
第二章 背景知識5
2.1 前言5
2.2 電源供應器架構5
2.3 轉換器的定義與原理7
2.3.1 返馳式轉換器8
2.3.1.1 基本電路8
2.3.1.2 工作原理9
2.3.2 順向式轉換器10
2.3.2.1 基本電路10
2.3.2.2 工作原理10
2.3.3 推挽式轉換器11
2.3.3.1 基本電路11
2.3.3.2 工作原理12
2.3.4 隔離型返馳式轉換器12
2.3.4.1 基本電路12
2.3.4.2 工作原理13
第三章 隔離型順向式轉換器15
3.1 簡介15
3.2 系統架構16
3.3 基本電路17
3.4 工作原理18
第四章 隔離型順向式轉換器的設計步驟21
4.1 規格參數制訂21
4.2 模組設計流程22
4.2.1 步驟1：確定系統要求24
4.2.2 步驟2︰設定輸出電感中的紋波電流26
4.2.3 步驟3：計算變壓器的圈數比28
4.2.4 步驟4：計算初級電流30
4.2.5 步驟5：選擇合適的TOPSwitch-GX元件32
4.2.6 步驟6：變壓器的設計33
4.2.6.1 零氣隙變壓器36
4.2.7 步驟7：檢查初級電流36
4.2.8 步驟8：確定滿足維持時間的輸入電容的容量37
4.2.9 步驟9：計算整流二極體的應力38
4.2.10 步驟10：計算輸出電容上的RMS紋波電流39
4.2.11 步驟11：計算耦合電感的參數40
4.2.12 步驟12：計算獨立輸出的電感量41
4.2.13 步驟13：磁放大器輸出電感量的計算41
4.2.14 步驟14：如有必要，則調整輸出電感41
4.2.15 步驟15：用於外部DCMAX降低的元件數值的計算42
4.2.16 步驟16：可選的外部欠電壓保護電路所使用電阻數值的計算50
4.2.17 步驟17：箝位元電路元件的選擇52
4.2.18 步驟18：回饋電路元件的選擇54
第五章 180W PC電腦交換式電源模組的設計與測試57
5.1 順向式轉換器的實際應用電路57
5.1.1 SW-1與SW-2的關係59
5.1.2 壓敏電阻的作用60
5.1.3 熱敏電阻的作用60
5.1.4 安全電容的分布60
5.1.5 洩放電阻的作用60
5.1.6 欠電壓值的分配60
5.1.7 欠電壓保護電路61
5.1.8 延遲電阻與偏壓電阻62
5.1.9 穩壓二極體/電容重置/箝位的保護電路62
5.1.10 回授電路63
5.2 返馳式轉換器的實際應用電路64
5.3 啟動控制的實際應用電路66
5.4 變壓器規格67
5.4.1 180W順向式變壓器67
5.4.1.1 電氣示意圖67
5.4.1.2 電氣規格69
5.4.1.3 材料表69
5.4.1.4 繞法示意圖與說明70
5.4.2 10W返馳式變壓器71
5.4.2.1 電氣示意圖71
5.4.2.2 電氣規格72
5.4.2.3 材料表73
5.4.2.4 繞法示意圖與說明73
5.5 印刷電路板(PCB：Printed Circuit Board)的設計75
5.5.1 PCB Layout75
5.5.1.1 鑽孔層(Drill)76
5.5.1.2 佈局層(Layout)77
5.5.1.3 零件面上層(SilkScreen Top)78
5.5.1.4 防銲層上層(Solder Mask)79
5.5.1.5 防銲層下層(Solder Mask-Mirror)80
5.5.1.6 銅箔面(Solder Side)81
5.5.1.7 銅箔面下層(Solder Side-Mirror)82
5.5.1.8 零件面(Top)83
5.5.1.9 機構外型尺寸圖84
5.5.1.10 PCB實體正面85
5.5.1.11 PCB實體背面86
5.5.2 材料表(Bill Of Materials)87
5.6 電氣與波形測量91
5.6.1 量測的儀器與條件91
5.6.2 波形量測92
5.6.3 數據量測96
第六章 結論與未來工作98
參考文獻99
表目錄
表1-1 80PLUS標籤上的內容1
表4-1 micro-ATX電氣規格參數表22
表4-2 開始一個新設計所需要的系統參數24
表5-1 180W變壓器的電氣規格69
表5-2 180W變壓器的材料表69
表5-3 10W變壓器的電氣規格72
表5-4 10W變壓器的材料表73
表5-5 材料表(Bill Of Materials)87
表5-6 量測儀器列表91
表5-7 180W變壓器材料測試表-ERL35(NC2H)96
表5-8 10W變壓器材料測試表-EE16(NC2H)96
表5-9 輸入/輸出電源量測數據表97
圖目錄
圖1-1 ATX的交/直流電源模組3
圖2-1 交換式電源供應器基本結構方塊圖7
圖2-2 返馳式或稱Buck-boost轉換器8
圖2-3 順向式或稱Buck轉換器10
圖2-4 推挽式或稱Buck-derived轉換器11
圖2-5 隔離型返馳式轉換器13
圖2-6 隔離型返馳式轉換器波形圖14
圖3-1 線性式電源供應器系統方塊圖15
圖3-2 交換式電源供應器系統方塊圖16
圖3-3 隔離型順向式轉換器系統方塊圖17
圖3-4 隔離型順向式轉換器18
圖3-5 隔離型順向式轉換器波形圖19
圖4-1 PC Power Supply_180W電路圖21
圖4-2 順向式轉換器設計方法中詳細步驟的擴展流程圖23
圖4-3 用於說明KΔI定義的電感電流波形26
圖4-4 (a).無磁放大器時典型的變換器初級電流波形;(b).使用磁放大器時典型的變換器初級電流波形31
圖4-5 選擇圖4-1中R8A~R8D、R36、C22、D18及D1943
圖4-6 使用TOPSwitch-GX 的單端順向式變換器典型電路結構48
圖4-7 外部欠電壓鎖定電路50
圖4-8 箝位元電路53
圖4-9 使用TOPSwitch-GX的順向式變換器中的回饋電路結構55
圖5-1 順向式轉換器的實際應用電路圖58
圖5-2 TOP249Y實體材料元件58
圖5-3 SW-1與SW-2的關係位置59
圖5-4 欠電壓值的分配電路位置61
圖5-5 欠電壓保護電路位置62
圖5-6 穩壓二極體/電容重置/箝位的保護電路位置63
圖5-7 可單獨調節的3.3V磁放大器電路64
圖5-8 返馳式轉換器的實際應用電路圖65
圖5-9 TNY266P實體材料元件65
圖5-10 啟動控制的實際應用電路圖66
圖5-11 180W順向式變壓器的電氣示意圖67
圖5-12 BOBBIN實體材料元件使用HY350167
圖5-13 CORE實體材料元件使用ERL35(NC2H)68
圖5-14 變壓器實體照片68
圖5-15 180W順向式變壓器的繞法示意圖70
圖5-16 10W返馳式變壓器的電氣示意圖71
圖5-17 變壓器實體照片72
圖5-18 10W返馳式變壓器的繞法示意圖73
圖5-19 鑽孔層(Drill)76
圖5-20 佈局層(Layout)77
圖5-21 零件面上層(SilkScreen Top)78
圖5-22 防銲層上層(Solder Mask)79
圖5-23 防銲層下層(Solder Mask-Mirror)80
圖5-24 銅箔面(Solder Side)81
圖5-25 銅箔面下層(Solder Side-Mirror)82
圖5-26 零件面(Top)83
圖5-27 機構外型尺寸圖84
圖5-28 PCB實體正面85
圖5-29 PCB實體背面86
圖5-30 CH1 TOP249Y Drain pin對CH2 12V繞組輸出波形(未整流前)92
圖5-31 CH1 TOP249Y Drain pin對CH2 5V繞組輸出波形(未整流前)93
圖5-32 CH1 5V繞組輸出(未整流濾波)CH2已整流濾波之漣波(Vpp=1V.(max)Vpp=0.1V(min))94
圖5-33 CH1 12V繞組輸出(未整流濾波)CH2已整流濾波之漣波(Vpp=1V.(max)Vpp=0.1V(min))95
圖5-34 mini-ITX腳位示意圖97

中文部份
[1]沙占友 等編著 梁適安 校訂，單晶片交換式電源設計與應用技術，全華科技圖書股份有限公司，民國95年12月。
[2]梁適安 編著，交換式電源供應器之理論與實務設計，全華科技圖書股份有限公司，民國97年09月。
[3]鄭培璿 編著，電力電子分析與模擬，全華科技圖書，民國91年。
[4]謝沐田 編著，高低頻變壓器設計，全華科技圖書，民國81年。
[5]GEORGE C.CHRYSSIS 著 梁適安 譯，高頻交換式電源供應器原理與設計，美商麥格羅.希爾國際股份有限公司，全華科技圖書股份有限公司總代理，民國84年。
[6]Power Integrations AN-30應用指南TOPSwitch-GX順向式電源 設計方法，民國94年4月。
英文部份
[1]B.I.Kwon, S.J. Park, and S.C. Park, “Forward converter analysis by the method of coupling electromagnetic field with hysteresis and circuit equations”, IEEE Transactions on Magnetics, vol.36, no.4, July 2000, pp.1426-1430.
[2]C.Ji,K.M. Smith, K.M. Smedley, and K. King, “Cross regulation in flyback converters: analytic model and solution”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 16, no.2, March 2001, pp.231-239.
[3]Engineering Prototype Report for EPR–31 Multiple Output 180 W AC-DC Power Supply using TOP247Y (TOPSwitch®-GX) and TNY266P (TinySwitch®-II) , 01-Feb-05.
[4]NCP1014 Self-Supplied Monolithic Switcher for Low Standby-Power Offline SMPS, ON Semiconductor, REV.14 Sept.2005.
[5]R.Torrico-Bascope and I.Barbi, “A double ZVS-PWM active-clamping forward converter: analysis, design, and experimentation”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol.16, no.6, Novermber 2001, pp.745-751.
[6]S.H. Chung, S.Y. Hui and W.H. Wang, “A zero-current-switching PWM flyback converter with a simple auxiliary switch”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol.14, no.2, March 1999, pp.329-342.
[7]TOPSwitch Flyback Design Methodology,Power Integrations, Inc.Application Note AN-16, June 1996.
[8]Y.Panov and M.Jovanovic, “Design and performance evaluation of low-voltage/high-current DC/DC on-board modules”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol.16, no.1, January 2001, pp.26-33.
[9]Y.Xi and P.K.Jain, “A forward converter topology with independently and precisely regulated multiple outputs”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol.18, no.2, March 2003, pp.648-658.