解讀標準─PC交換式電源供應器節能標準 80 PLUS
交換式電源供應器(Switch Power Supply；SPS)單純以技術面來說，已經是成熟的產品，不過隨著用電成本越來越高，原本只擔負單純電源轉換功能的SPS，逐漸成為替電費把關的重要機制，例如越來越熱門的80 plus規範(80 PLUS Computer Power Supply Program)就是一個明顯的例子。
電力利用交流電(AC)形式，才能進行長距離的傳輸，但是絕大多數的電器設備卻必須使用直流電(DC)，兩者間的電力轉換遂成為顯學。利用半導體開關作為基礎原理的高頻切換技術，在1970年代提出，產品即為交換式電源供應器。
需要交換式電源供應器的應用產品相當多，除了依照應用瓦數作為分類基準外，終端應用亦可分為6大類：
1.電腦類：伺服器、工作站、個人電腦(DT與NB)、周邊。其SPS多屬於中功率(101w – 500w)應用。
2.通信類：網路與通信產品。此領域的SPS亦多屬於中功率，少部分大型產品的SPS則為高功率(501w – 1,500w)應用。
3.消費性電子產品：末端使用者直接使用的非PC類電子產品。幾乎都屬於低功率SPS(1 w– 100w)。
4.工業類：工業或醫療用電子產品。相關SPS多半屬於高功率或極高功率(1,500w – 2,000w)。
5.軍事類：軍事或航太相關電子產品。此類產品涵蓋領域甚廣，SPS由低功率到超高功率(2,000w以上)都有。
6.其他類：如照明、監視設備等。SPS所屬功率的上下範圍亦非常大，無法明顯分類。
在上述6大類中，PC類產品是最重要的應用族群，全球比例達到39%，台灣地區更高達80%以上。因此PC類相關SPS的各項產品規範與認證，自然成為研發人員關注的焦點。
過去PC類產品耗電量不大，但目前在強力中央處理器(CPU)與功耗越來越高的顯示卡(VGA)帶動下，PC整機的電力需求遂水漲船高，過去整台PC可能耗電量不到200w，一顆300w的SPS即可充分供應，目前一張高效能顯示卡的耗電量，可能就逼近200w！
PC類SPS就在前述趨勢下，朝著高瓦數邁進，主流產品多半已經超過500w，甚至連1,000w等級產品都已經在市場出現，許多研究報告亦指出，高瓦數SPS成為目前電源供應器產業成長的重要動力。
環保＋節能新風潮 高瓦數SPS轉換效率引人重視
交換式SPS基本組成原件，大致可分別為輸入級(Input stage)包括EMI濾波器、和橋式整流電路；功率因數調整級(Power Factor Correction stage , PFC)包含功率因數調整電路；功率級(Power stage)包含功率開關、脈波寬度調變(Pulse Width Modulation , PWM)與驅動電路、隔離高頻變壓器、整流二極體及輸出濾波器；回授級(Feedback stage)包含誤差放大器及光隔離器等。
這些零組件的運作公式並不難，由附圖中的AC/DC簡單架構可知，市電輸入後，控制S1電子開關的導通與否，即可得到DC電壓的輸出。此外變壓器的初級圈具有變壓和電感雙重功能，藉由MOSFET的開關作用，將儲存於在變壓器的能量傳遞給次級側，再藉由電容C的充電保持功能取到直流電壓Vo，此外藉由改變變壓器初、次級的圈數，就可得到想要的DC電源。但由於組成結構零件複雜，SPS轉換效率並不是100%，因為每個零件都可視為電阻，交換過程都會產生損失。
在上述轉換過程中，會有不少的電能轉換為熱，形成能源浪費，也就是所謂的轉換效率不佳。過去PC類使用的SPS轉換效率約在60%~70%之間，換言之，以當時的主流SPS規格，輸入300w的市電，只有180w~210w直流電輸出，其餘市電都變成無用的廢熱。
轉換效率不佳，除直接影響SPS輸出功率外，廢熱太多也會造成SPS運作不穩定，但為了散熱，又需要增加更強力的主/被動散熱系統，又會產生額外的功耗浪費與噪音。
目前PC類SPS已經挺進到500w以上，甚至700-1,000w的產品也不稀奇，能源浪費更為可觀。在能源成本高漲加上綠色IT環保議題抬頭，低轉換效率的SPS立刻成為過街老鼠，人人喊打，因此各種新規範紛紛出籠，其中影響PC類SPS最大的，就是「80 PLUS」規範。
圖說：80 PLUS認證標章。
電源轉換效率隨負載變化 全超過80%才合乎規範
80 PLUS規範由美國能源署於2005年提出，由Ecos Consulting組織負責執行，主要的目標設在2007年開始，提供給PC或是Server的SPS，無論在低負載(運作功率20%)、中負載(運作功率50%)、或是高負載(運作功率100%)狀態下，AC/DC的轉換效率都能超過80%。
原本80 PLUS算是一項獎勵規範，即採用符合該規範的PC或Server，美國政府會提供獎勵，不過發展到今日，由於80 PLUS符合節能與環保的思潮，又能夠展現SPS廠商的研發實力，拉開與對手產品差距，目前新推出的SPS，幾乎都以支援80 PLUS規範為大賣點，其更為直接的訴求為，省電費，更獲得歐美消費市場認同。
但，全負載狀態下都達到80%轉換效率，對於SPS來說，實際上是頗為嚴苛的挑戰，因為SPS的轉換效率並非線性，大部分SPS在80%負載前，會因為負載提升，轉換效率越來越好，因為低負載時，輸入功率低，卻又必須負擔零件的損耗。換句話說，低負載的狀態，達成轉換功率超過80%有先天上的限制。
雪上加霜的是，SPS負載超過80%時，轉換效率又開始衰退(比較好的SPS則可將臨界點提高到90%以上)，主要是因為原件達到飽和，例如變壓器磁通飽和，以及半導體類原件因為特性曲線變化導致其等效抗阻變動。
此外，目前SPS廠商在降低成本的壓力下，會有一些取巧的設計，例如設計高的開關頻率，就可以縮小電感或變壓器的體積，進而讓封裝變小，成本降低，但是一般SPS常用的MOSFET在高頻的特性較差，也會造成轉換時的損失。
80 PLUS考驗SPS設計功力與零件整合更需認證 成本較高
符合80 PLUS的SPS，設計上許多細節都比較嚴格，例如主動式功率因數校正(Active Power Factor Correction , Active PFC)就成為必備的功能，即代表電源供應器內建功率因數調整電路(PFC Preregulator)，可以將原本只有0.6~0.7的功率因數，修正至0.9以上。依公式W=V×A×P.F.，當功率因數越接近1時，產生的虛功(var)較少，代表市電供應給SPS的能量(VA)，能夠轉換成裝置作功的能量(W)。
SPS必須加入的機制，越多電路、設計上就越複雜，零組件也越多，成本自然增加，此外，SPS的空間限於工業設計結構，差不多就是定在特定的尺寸，無法輕易放大，組件越來越多後，組件整合也成為一個新的設計趨勢，例如MOSFET與PWM控制晶片的整合就是一例，不過當然也相當考驗設計功力，更難壓低成本。總之要符合80 PLUS規範，以目前的SPS技術，成本增加將影響此規範普及速度。
至於80 PLUS的認證方式，則是向Ecos Consulting提出申請，以單獨產品為標的，每個型號提供2台測試機。Ecos Consulting則會針對針對20% 、50% 、100%負載條件下整機效率，額定負載下的諧波測試(要求大於90%)，其他方面和普通電源測試要求一樣。
根據80PLUS官方網站的測試報告，測試環境為115v以及60Hz的交流電，因為輸入功率越高，例如230v時，轉換效率會比115v好，所以官方顯然採用比較嚴格的標準進行測試，通過者即可在該產品貼上80PLUS認證貼紙，當然此認證並非免費。目前已經有約30家SPS製造商，擁有通過認證的產品了。
圖說：符合80 PLUS的SPS設計方式之1。(圖片來源：www.onsemi.com/atx)
文章來自【唐鴻／DIGITIMES】
交換式電源供應器(Switch Power Supply；SPS)單純以技術面來說，已經是成熟的產品，不過隨著用電成本越來越高，原本只擔負單純電源轉換功能的SPS，逐漸成為替電費把關的重要機制，例如越來越熱門的80 plus規範(80 PLUS Computer Power Supply Program)就是一個明顯的例子。
電力利用交流電(AC)形式，才能進行長距離的傳輸，但是絕大多數的電器設備卻必須使用直流電(DC)，兩者間的電力轉換遂成為顯學。利用半導體開關作為基礎原理的高頻切換技術，在1970年代提出，產品即為交換式電源供應器。
需要交換式電源供應器的應用產品相當多，除了依照應用瓦數作為分類基準外，終端應用亦可分為6大類：
1.電腦類：伺服器、工作站、個人電腦(DT與NB)、周邊。其SPS多屬於中功率(101w – 500w)應用。
2.通信類：網路與通信產品。此領域的SPS亦多屬於中功率，少部分大型產品的SPS則為高功率(501w – 1,500w)應用。
3.消費性電子產品：末端使用者直接使用的非PC類電子產品。幾乎都屬於低功率SPS(1 w– 100w)。
4.工業類：工業或醫療用電子產品。相關SPS多半屬於高功率或極高功率(1,500w – 2,000w)。
5.軍事類：軍事或航太相關電子產品。此類產品涵蓋領域甚廣，SPS由低功率到超高功率(2,000w以上)都有。
6.其他類：如照明、監視設備等。SPS所屬功率的上下範圍亦非常大，無法明顯分類。
在上述6大類中，PC類產品是最重要的應用族群，全球比例達到39%，台灣地區更高達80%以上。因此PC類相關SPS的各項產品規範與認證，自然成為研發人員關注的焦點。
過去PC類產品耗電量不大，但目前在強力中央處理器(CPU)與功耗越來越高的顯示卡(VGA)帶動下，PC整機的電力需求遂水漲船高，過去整台PC可能耗電量不到200w，一顆300w的SPS即可充分供應，目前一張高效能顯示卡的耗電量，可能就逼近200w！
PC類SPS就在前述趨勢下，朝著高瓦數邁進，主流產品多半已經超過500w，甚至連1,000w等級產品都已經在市場出現，許多研究報告亦指出，高瓦數SPS成為目前電源供應器產業成長的重要動力。
環保＋節能新風潮 高瓦數SPS轉換效率引人重視
交換式SPS基本組成原件，大致可分別為輸入級(Input stage)包括EMI濾波器、和橋式整流電路；功率因數調整級(Power Factor Correction stage , PFC)包含功率因數調整電路；功率級(Power stage)包含功率開關、脈波寬度調變(Pulse Width Modulation , PWM)與驅動電路、隔離高頻變壓器、整流二極體及輸出濾波器；回授級(Feedback stage)包含誤差放大器及光隔離器等。
這些零組件的運作公式並不難，由附圖中的AC/DC簡單架構可知，市電輸入後，控制S1電子開關的導通與否，即可得到DC電壓的輸出。此外變壓器的初級圈具有變壓和電感雙重功能，藉由MOSFET的開關作用，將儲存於在變壓器的能量傳遞給次級側，再藉由電容C的充電保持功能取到直流電壓Vo，此外藉由改變變壓器初、次級的圈數，就可得到想要的DC電源。但由於組成結構零件複雜，SPS轉換效率並不是100%，因為每個零件都可視為電阻，交換過程都會產生損失。
在上述轉換過程中，會有不少的電能轉換為熱，形成能源浪費，也就是所謂的轉換效率不佳。過去PC類使用的SPS轉換效率約在60%~70%之間，換言之，以當時的主流SPS規格，輸入300w的市電，只有180w~210w直流電輸出，其餘市電都變成無用的廢熱。
轉換效率不佳，除直接影響SPS輸出功率外，廢熱太多也會造成SPS運作不穩定，但為了散熱，又需要增加更強力的主/被動散熱系統，又會產生額外的功耗浪費與噪音。
目前PC類SPS已經挺進到500w以上，甚至700-1,000w的產品也不稀奇，能源浪費更為可觀。在能源成本高漲加上綠色IT環保議題抬頭，低轉換效率的SPS立刻成為過街老鼠，人人喊打，因此各種新規範紛紛出籠，其中影響PC類SPS最大的，就是「80 PLUS」規範。
圖說：80 PLUS認證標章。
電源轉換效率隨負載變化 全超過80%才合乎規範
80 PLUS規範由美國能源署於2005年提出，由Ecos Consulting組織負責執行，主要的目標設在2007年開始，提供給PC或是Server的SPS，無論在低負載(運作功率20%)、中負載(運作功率50%)、或是高負載(運作功率100%)狀態下，AC/DC的轉換效率都能超過80%。
原本80 PLUS算是一項獎勵規範，即採用符合該規範的PC或Server，美國政府會提供獎勵，不過發展到今日，由於80 PLUS符合節能與環保的思潮，又能夠展現SPS廠商的研發實力，拉開與對手產品差距，目前新推出的SPS，幾乎都以支援80 PLUS規範為大賣點，其更為直接的訴求為，省電費，更獲得歐美消費市場認同。
但，全負載狀態下都達到80%轉換效率，對於SPS來說，實際上是頗為嚴苛的挑戰，因為SPS的轉換效率並非線性，大部分SPS在80%負載前，會因為負載提升，轉換效率越來越好，因為低負載時，輸入功率低，卻又必須負擔零件的損耗。換句話說，低負載的狀態，達成轉換功率超過80%有先天上的限制。
雪上加霜的是，SPS負載超過80%時，轉換效率又開始衰退(比較好的SPS則可將臨界點提高到90%以上)，主要是因為原件達到飽和，例如變壓器磁通飽和，以及半導體類原件因為特性曲線變化導致其等效抗阻變動。
此外，目前SPS廠商在降低成本的壓力下，會有一些取巧的設計，例如設計高的開關頻率，就可以縮小電感或變壓器的體積，進而讓封裝變小，成本降低，但是一般SPS常用的MOSFET在高頻的特性較差，也會造成轉換時的損失。
80 PLUS考驗SPS設計功力與零件整合更需認證 成本較高
符合80 PLUS的SPS，設計上許多細節都比較嚴格，例如主動式功率因數校正(Active Power Factor Correction , Active PFC)就成為必備的功能，即代表電源供應器內建功率因數調整電路(PFC Preregulator)，可以將原本只有0.6~0.7的功率因數，修正至0.9以上。依公式W=V×A×P.F.，當功率因數越接近1時，產生的虛功(var)較少，代表市電供應給SPS的能量(VA)，能夠轉換成裝置作功的能量(W)。
SPS必須加入的機制，越多電路、設計上就越複雜，零組件也越多，成本自然增加，此外，SPS的空間限於工業設計結構，差不多就是定在特定的尺寸，無法輕易放大，組件越來越多後，組件整合也成為一個新的設計趨勢，例如MOSFET與PWM控制晶片的整合就是一例，不過當然也相當考驗設計功力，更難壓低成本。總之要符合80 PLUS規範，以目前的SPS技術，成本增加將影響此規範普及速度。
至於80 PLUS的認證方式，則是向Ecos Consulting提出申請，以單獨產品為標的，每個型號提供2台測試機。Ecos Consulting則會針對針對20% 、50% 、100%負載條件下整機效率，額定負載下的諧波測試(要求大於90%)，其他方面和普通電源測試要求一樣。
根據80PLUS官方網站的測試報告，測試環境為115v以及60Hz的交流電，因為輸入功率越高，例如230v時，轉換效率會比115v好，所以官方顯然採用比較嚴格的標準進行測試，通過者即可在該產品貼上80PLUS認證貼紙，當然此認證並非免費。目前已經有約30家SPS製造商，擁有通過認證的產品了。
圖說：符合80 PLUS的SPS設計方式之1。(圖片來源：www.onsemi.com/atx)
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