事實上，以往產業界對電源管理的要求主要著重於如何達到更低待機功耗，而隨著相關技術的發展日臻成熟，市場的關注焦點已開始轉移至提高能源轉換效率上，尤其在能源之星(Energy Star)2.0與歐盟執行委員會行為準則(EC Code of Conduct)等法規要求下，以低成本實現更高轉換效率的電源設計技術，已成為當今市場顯學。

實現高效率/低功耗電源IC角色吃重

圖1　快捷半導體技術行銷部高級經理林乾元指出，低成本、高轉換效率是現今電源IC設計商努力的方向。

目前能源之星2.0要求外部電源供應器(EPS)在輸出功率超過49瓦時，轉換效率須大於86%以上。歐盟對外部電源供應器效率的要求，基本上與能源之星一樣，但對於可攜式行動裝置的充電設備則另有規範，根據規定目前要求空載的待機功耗為0.25瓦，預計2011年將要求低於0.15瓦，未來更將朝向30毫瓦目標邁進。

快捷(Fairchild)半導體技術行銷部高級經理林乾元(圖1)進一步解釋，目前手機與筆記型電腦的充電器相當普及，在消費性電子裝置輕薄短小需求的發展下，未來要求的效率勢必更高。

至於內部電源供應器方面，目前法規要求在關閉模式(Off Mode)情形下，輸入功率(Input Power)要小於1瓦，2013年時更要低於0.5瓦。林乾元以個人電腦的電源供應器為例分析，若在完全空載的條件下，大多都可做到0.3瓦，但是在整體系統測試的狀況下，輸入功率0.3瓦與1瓦的差異原因通常在於主機板上的損耗，因此，若要達到低待機功耗要求，主機板的設計也要花心思，若設計得宜，即可在毋須修改電源供應器的情況下，達到2013年低於0.5瓦的要求。

林乾元指出，為因應法規的要求，電源供應設計主要有幾個發展方向，包括提高能源轉換效率及降低待機功耗，並減少零件使用數目，縮減物料清單(BOM)成本，同時致力在更小尺寸中提高功率密度，再者則要減少雜訊干擾、提高製造良率及可靠度。而這種種的要求，均須透過電源IC設計業者的協助，才能更順利的達成。

選對電路架構　輕薄高效得來速

圖2　恩智浦高性能混合訊號事業部設計應用中心副總工程師訾振亞表示，照明應用中，只要輸出功率超過25瓦，即須採用PFC。

既然電源IC對交換式電源的轉換效率與成本具有舉足輕重的影響性，設計人員自然不能輕忽，而掌握各式交換式電源拓撲架構的特性及影響效能的關鍵因素，將可克服產品開發所面臨的各種挑戰，提高產品的競爭力。

恩智浦(NXP)高性能混合訊號事業部設計應用中心副總工程師訾振亞(圖2)表示，交換式電源轉換的拓撲架構可概分為非隔離型(Non-Isolated)與隔離型(Isolated)兩大類，前者主要包括降壓型(Buck/Step-down)、升壓型(Boost/Step-up)、升降壓型(Buck-Boost)；後者則以返馳式(Flyback)、順向式(Forward)、半/全橋式(Half/Full Bridge)、推挽式(Push-Pull)與諧振式(Resonant)等較為常見，每種架構所適用的輸出功率不盡相同，轉換特性的好壞也有差異，因此，設計人員仍須視應用所需的規格要求，來選擇合適的電源架構，才能達到最佳的設計效能(圖3)。

以隔離型返馳式架構為例，主要適用於250瓦以下的輸出功率，不過一般建議是用於150瓦以下。其主要優點是架構簡單、輸入電壓範圍廣，且待機功耗最低可小於30毫瓦，而缺點則是峰值電流高，有互穩壓(Cross Regulation)問題，須要使用高壓的功率開關。

資料來源：恩智浦 圖3　各種交換式電源拓撲適用的輸出功率及基本規格

至於輸出功率在100∼500瓦時，則可選用順向式或半橋式架構，前者已大量用於個人電腦電源供應器設計。若輸出功率大於500瓦以上，則較適合採用全橋式架構，如伺服器電源設計。

諧振架構則是近期較熱門的拓撲，又可分為串聯諧振(SRC)、並聯諧振(PRC)、 串並諧振與LLC諧振，其最大優勢是功耗小且電磁干擾(EMI)的情形較少，所需的物料清單也少，從而可節省電路板空間。值得一提的是，由於LLC諧振架構可達到較高轉換效率，因此在液晶電視(LCD TV)或個人電腦電源市場，為符合80 PLUS金牌、銀牌的認證，許多業者在250∼300瓦的電源設計中都已導入LLC諧振架構。

除拓撲架構外，功率因數(PF)與總諧波失真(THD)也與電源轉換效率的高低息息相關。訾振亞指出，功率因數是量測電力品質的工具，所呈現的是系統從市電中所取得的有效電力，PF值愈差，就代表電力品值不佳，因而容易造成供電的浪費，甚至會對系統內其他電源造成干擾。PF值也會影響總諧波失真大小，在照明產品中，尤其重視總諧波失真值，必須要愈小愈好。

為提高PF值，目前歐盟已規範在輸出功率大於75瓦的電源，均須導入功率因數校正(PFC)晶片，而其又分為被動式與主動式兩種，被動式PFC由於是使用電感、電容等組合而成，因此體積較大，其PF值大約在0.7∼0.8，而總諧波失真則仍相當高。主動式PFC則較受市場歡迎，PF較高可達0.9，總諧波失真則可小於3%。現今90%以上的主動式PFC是採用升壓架構來實作。

訾振亞分析，隨著市場對空/輕載的效率要求愈來愈高，電源IC除要具備前述的電路特性外，也須加入更多保護功能，以避免使用多餘的外置零件，從而節省空間、成本和功耗，達到輕薄、高效的電源設計。

利用數位技術　提高電源轉換效率

除了透過電源IC的拓撲架構與配置組合來改善轉換效率外，隨著數位訊號控制技術的日益成熟，利用數位技術突破效率瓶頸的方法，也逐漸受到市場青睞。

圖4　微芯台灣分公司應用工程師李政道強調，數位式的電源設計技術可較類比式更具彈性。

微芯(Microchip)台灣分公司應用工程師李政道(圖4)表示，轉換效率差代表系統裡有損失，並將轉換成熱的形式呈現，因此熱與功耗損失是一體兩面。降低損失即可減少熱耗，從而省掉風扇、散熱片等額外的冷卻零件，並減輕這些元件所造成的噪音，大幅改善電池供電裝置的電池使用壽命。另外，提高功率密度，則可縮小電路板使用空間，降低系統成本，讓整體系統符合法規要求，落實綠色環保的設計概念。

一般來說，功耗損失的成因主要有幾個來源，包括金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的切換及導通損失、二極體與整流器的損失、電感中的直流電阻(DCR)和電容中的等效電阻(ESR)損失、驅動器損失，以及功率因數值過低所造成的損失。最後是電力傳輸與分配過程所造成的損失。因此，要提高效率即須針對這些要素對症下藥。

若以類比設計的思維來解決這些問題，多半會從元件及電源轉換拓撲的選擇下手，例如採用內部電阻較小的主動和被動元件，以及切換損失較低的交換式元件；再者則是改善諧波及濾波的設計。而數位式的設計則是要針對不同的負載，給定不同的頻率，從而降低切換損失，降低諧波，以省掉EMI濾波器的使用。

目前，利用數位技術改善電源轉換效率的方法，包括採用交錯式功率級(Interleaving Power Stage)、相位控制(Phase Angle Control)、切相(Phase Shedding)、諧振轉換(Resonant Conversion)、負載平衡(Load Balance)及同步整流(Synchronous Rectification)等，這些技術可快速達到立竿見影的效果。

李政道指出，數位式電源設計主要是利用數位訊號處理器(DSP)來控制電源流動，同時提供電源管理的功能，進而實現類比技術無法達到的功能。因此，數位電源管理具備可重複使用、模組化、隨時調整參數、容易維護、元件選擇容易及更好的熱管理等優點。

1%決勝負時代來臨　精準量測不可或缺

圖5　太克科技資深經理吳俊賢表示，電力電子產業特殊的師徒制生態，讓許多不正確的量測觀念也跟著代代相傳。

在法規與客戶要求日益嚴苛的情況下，每1%效率的提升都顯得彌足珍貴，也讓電源供應器設計人員常陷入為了1%能源效率而加班到焦頭爛額的情況。然而，量測設備的精準度與量測方法，卻有可能是整個產品設計流程中最容易受到忽略的盲點所在。

太克科技資深經理吳俊賢(圖5)指出，由於電力電子領域，還有許多公司仍保有其他領域早已消失的師徒傳承精神，因此許多設計人員從新進人員時期開始，就會從前輩接受到許多代代相傳的設計與量測技巧。然而，從量測的角度來看，這些前人流傳下來的方法，其實不一定正確。

舉例來說，許多新進設計人員一進公司，前輩就會告訴新人，要把示波器浮接在電源供應器系統上來進行量測，如此才能避免接地干擾影響量測精準度。然而，從示波器與實驗室安全的觀點來看，這樣的作法非常危險。因為電力電子所量測的訊號電壓通常可達數百伏特，把示波器浮接在這類電源系統上，由於寄生電感與寄生電容的存在，不僅無助於得到正確的量測值，反而容易損壞示波器或待測電路。再加上在實驗室工作的研發人員常常穿著輕便，一旦稍有疏忽，在量測的過程中碰到示波器外殼的金屬部位，很容易就會發生意外。

吳俊賢建議，要解決接地干擾的問題，還是應該從改善實驗室的電力環境著手，提供乾淨的電源與接地，而不是把示波器的接地線拔掉。但很遺憾的是，直到目前為止，許多電力電子領域的廠商仍未設法從源頭解決這些問題，因此交換式電源供應器在進行產品驗證時，往往是根據錯誤的量測結果來調整系統，延誤了寶貴的產品上市時機。在進行電源供應器產品驗證時，若工程師要獲得精準的量測結果，最理想的測試配置還是應採用隔離通道示波器搭配差動探棒與測試治具。

除選擇正確的量測設備外，量測設備本身的精準度也是影響量測結果的一大關鍵。例如當使用者把探棒接上待測電路後，探棒本身的電阻、電容、電感效應就會對待測電路的行為造成影響，例如電阻效應會使訊號振幅降低、電容效應則會延長訊號的上升時間、探棒接地線的電感負載更會引起訊號振鈴。事實上，當探棒在無接地(浮接)時，對待測物訊號所造成的振鈴是最為嚴重的(圖6)。

圖6　探棒接地方式會對待測物訊號產生程度不一的振鈴，浮接的影響更是最嚴重的。

無庸置疑的，在節能減碳意識高漲的時空下，交換式電源供應設計已是解決能源浪費問題的重要手段，然而，由於其設計技術多樣且各有所長，因此，設計人員唯有清楚掌握相關拓撲，並依自身應用需求選擇合適電路及元件，或導入創新數位電源技術，再搭配正確的量測過程來把關，方能有效提升電源系統效能。