設計 0–30V、0–3A 可調電源供應器（中階專案）。
一、學習目標
- 線性 / 開關電源實際設計
- LDO 與 DC/DC 應用
- 電流限制與保護
- PCB 散熱
- 過壓 / 過流 / 過溫保護
二、設計規格
| 項目 | 值 |
|---|---|
| 輸入 | AC 110/220V 或 DC 36V |
| 輸出電壓 | 0–30V 連續可調 |
| 輸出電流 | 0–3A 連續可調 |
| 紋波 | < 5 mVpp |
| 負載暫態 | < 50 mV，恢復 < 100 µs |
| 顯示 | 電壓 + 電流 4 位數 |
| 保護 | OVP / OCP / OTP |
三、架構選擇
方案 A：純線性（教學用）
優點：低雜訊、簡單 缺點：效率低、發熱大
AC 220V → 變壓器 → 橋式整流 → 電解電容 → 線性穩壓（用 OPAMP + 串聯 NPN/MOSFET）→ 輸出
方案 B：Pre-regulator + Linear（推薦）
AC → 整流 → Buck 預調節（隨輸出電壓追蹤）→ 線性後段 → 輸出
- 線性段 dropout 固定 3–5V
- 大幅減少功耗
- 雜訊仍低
方案 C：純開關（高效率）
AC → PFC → 主功率（如 LLC）→ 輸出 → 後置 LC 濾波
效率 > 90%，但雜訊較高。
四、線性後段電路（簡化）
電壓回授
V_set ──┐
├── OPAMP1 ──── 串聯 NPN/MOSFET ──── V_out
V_out ──┘ │
▼
R_sense
│
GND
電流回授
I_set ──┐
├── OPAMP2 → 連接 OPAMP1 (取兩 OPAMP 輸出較低值)
I_sense ┘
CV / CC 切換是「取最小」或「取最大」邏輯，由二極體實現（OR 連接）。
五、關鍵元件選擇
串聯通過元件（pass element）
- NPN：簡單，但 V_BE 大
- MOSFET：低 R_DS(on)
- 達靈頓：增益高
散熱
P_dissipation = (V_in - V_out) × I_out
例如 V_in=36V、V_out=0V、I_out=3A：
$$ P = 36 \times 3 = 108\ \mathrm{W} $$
需大型散熱片 + 風扇，θ_JA < 0.5°C/W。
→ 因此推薦 Pre-regulator 架構。
反電動勢保護
電感性負載斷電時保護。
六、保護電路
OCP（過電流保護）
R_sense 量測 → 比較器 → 切斷或限流。
OVP（過電壓保護）
Crowbar：TVS / SCR + Fuse。
OTP（過溫保護）
NTC + 比較器 → 關閉。
反接保護
二極體 / MOSFET。
七、控制與顯示
MCU
- STM32 或 ATmega
- ADC 讀回 V_out、I_out
- DAC / PWM 控制 V_set、I_set
- LCD / OLED 顯示
- Encoder 旋鈕設值
USB / 序列控制
- 透過 SCPI 命令遠端
- 適合自動化測試
八、PCB Layout 重點
- 大電流路徑短而粗
- 整流後地線 / 輸出地線分離
- 散熱片接 PCB
- 量測 GND 與功率 GND 分開（Kelvin connection）
- 開關電源段加金屬罩
- PCB 鋪銅厚 1–2 oz
九、量測與校正
- 外接精密電壓表 / 電流表
- 校正零點與滿刻度
- 紋波：示波器 AC 耦合 + Ground Spring
- 負載暫態：電子負載 + 示波器
- 效率：輸入功率 / 輸出功率
十、安全注意事項
⚠️ AC 部分有觸電危險
- 隔離變壓器 / 隔離示波器
- 一手操作（不要兩手碰電路）
- AC 部分 PCB 加保護蓋
- Y 電容、X 電容、保險絲、共模扼流圈不可省
十一、進階版本
- USB-C PD 輸入（可移動）
- Wi-Fi 控制
- 自動電池充電曲線
- 雙通道
- 高精度（mA 級電流）
- 可程式測試序列
十二、本專案重點
✅ 您學到：
- [x] 電源供應器架構選擇
- [x] 線性、Pre-regulator、開關差別
- [x] CV/CC 控制
- [x] 散熱計算
- [x] 保護電路
- [x] 安全規範