反激式开关电源设计与考试步骤精Word下载.docx
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有关特定的自动重启动导通时间,请参见相关的PowerIntegrations器件数据手册。
在测试期间,如果发现电源性能与本课程中所描述的情况不符,或者表现出任何异常特征,请停止测试程序,并参照其他PI大学故障诊断课程中的内容排查问题,或者联系当地PI代表解决问题。
第2章:
设计信息
现在就可以开始测试了。
下面,我们将以使用TinySwitch-PK器件的RD-1151参考设计电路板为例进行讲解。
该电源用于DVD播放器,可提供7.5W的连续输出功率,峰值功率为13W。
连续输出功率分为四路输出,它们包括:
3.3V,500mA
5V,500mA
正12V,250mA
负12V,30mA
第3章:
目测
设计之前,应先目测检查电路板,确保所有极性组件都已正确插装。
虽然这种情况并不常见,但一个元件插装错误却能导致破坏性故障。
即使在完成了元件插装检查后,我们仍强烈建议您在第一次设计电源时佩戴护目装置。
确保所有极性组件都已正确插装
第4章:
禁用欠压锁存
第一步是检查电源能否在低输入电压下正确工作,因此您需要禁用PowerIntegrations器件的欠压锁存功能(如果已启用的话)。
在大部分设计中,这意味着将UV电阻从电路板上卸除。
在本设计范例中,UV电阻连接在DC总线和TOPSwitch-HX器件的M引脚之间。
您需卸除这些电阻,使M引脚与源极短路。
如果是其他产品,请参阅相应的器件数据手册,确定应使用的正确元件和禁用UV功能的方法。
第5章:
极低电压工作
接下来,将两个短导线焊接到输入电容的负极和正极端子上,用作测试点。
为了正确验证低电压工作情况,您需要在施加低AC输入电压的过程中,监测输入电容的输出电压和DC总线电压。
将一个万用表连接到电路板的输出端子,并将另一个万用表连接到输入电容,利用两个测试点进行监测。
这两个万用表都应设置为读取DC电压。
如果您的设计有多路输出,可将负载电阻连接到主稳压输出以外的任何输出。
负载电阻的大小应能够吸收为每个输出指定的最小负载。
这样可防止这些输出电压因峰值充电而超出规格范围。
如果没有为输出指定最小负载,那么选择电阻吸收5mA的输出电流。
将AC输入导线连接到电路板。
确保AC输入正确连接到电源的输入端子,而不是连接到DC输出。
AC输入连接错误可严重损坏电源。
在本测试中,您还需要测量AC输入功率。
如果您有瓦特表,请参照其操作手册中有关如何安装到AC输入通道的说明,配置为测量AC电压、电流及输入功率。
如果没有瓦特表可用,可将第三个万用表与AC输入串联,设置为测量AC电流。
再将第四个万用表连接到电源输入端子,测量AC电压。
现在,确保自耦变压器或交流电源供应器设置为零,然后将其开启。
将输入电压慢慢提高到约10VAC。
您应该可以在瓦特表或输入万用表上看到AC输入电压在逐步增大。
如果没看到的话,应确认您的交流电源供应器是否配置正确。
您还应该看到DC总线电压在您施加AC电压的过程中不断增大。
如果您使用的是瓦特表,稳态AC输入功率应小于15mW。
如果您使用的是两个万用表,稳态AC电流读数应小于10mA。
如果您看到输入功率或AC电流高于此值,那么说明您的电路板存在故障。
关闭交流电源供应器,断开AC输入连接。
在上述情况下,持续提高AC电压会对电路板造成破坏性故障。
有关确定和修复电路板故障的信息,请参见PI大学课程“修复无输出电压的反激式电源”。
第6章:
启动和稳压
如果输入功率小于15mW,则可继续将电压增大到50VAC。
观测DC输出电压,如果输出处于稳压状态、自动重启动状态,或者输出电压表上的电压读数大于0.1V,则说明的电路板未受损且功能正常。
继续将AC输入电压增大至指定的最小输入电压。
如果电源无法启动或达到稳压,请停止测试,并参照PI大学课程“修复输出无法达到稳压的反激式电源”排查问题。
现在,关闭AC输入,将输入导线从电路板断开,将输入电容放电至安全的电压水平。
此外,将万用表从DC大容量电容断开。
第7章:
MOSFET漏极开关波形
接下来,您需要监测漏极开关波形。
断开电路板上的漏极走线,插入一个电流环。
确保此断开点介于PowerIntegrations器件漏极引脚与箝位电路中的任何元件之间。
这样可以确保探针只检测到MOSFET电流。
将一个1000V或更大倍数的x100探针连接到MOSFET两端来测量开关电压。
将示波器配置为以适当的比例同时显示电压和电流波形,并设置一个宽时基,以便在一帧图像上显示许多开关周期。
例如,对于这个132kHz设计,可将时基设置为每格50μs。
第8章:
负载主输出
现在,将一个电子负载连接到电源的主输出,确保负载设置为零。
将两个万用表连接到该输出,一个连接到输出端子来测量输出电压,另一个与电子负载串联来测量输出电流。
用精度最高的万用表来测量输出电流。
重新将AC输入导线连接到电路板,确保自耦变压器或交流电源供应器设置为零。
现在,接通AC输入,慢慢将电压增大至电源的最小指定输入电压。
慢慢将电源的负载增大至满功率的25%。
输出电压应维持在指定稳压容差范围内。
继续将负载提升到满载。
输出电压应保持稳定,并处于稳压限值范围内。
第9章:
满载工作
如果您的设计采用多路输出,请关断AC输入,拆下早前安装的最小负载电阻。
将所有这些电阻都分别替换为电子负载,直到您电源的所有输出都加有负载。
如果此时没有电子负载可用,请参照电力电子装置导论课程了解更多负载选项,以及如何替代它们的信息。
按照前面所讲的方法,连接两个万用表来监测每个输出的输出电压和电流。
本设计总共有4路输出,因此总共需要8个万用表,其中至少4个应具有高精度电流量程。
这种配置便于进行快速测量。
如果没有足够的这种万用表可用,可以用一个万用表来测量所有电压,方法是将它轮流连接到所有输出,分别测量电压,一次测量一个输出。
将所有负载设置为从每个输出吸收少量的电流,避免峰值充电的发生。
再次将AC输入归零,然后接通,慢慢将输入增大至电源的最小工作电压。
从主输出开始逐个慢慢增大每个输出的负载,以达到该输出的额定满载点,直到电源的所有负载都提供指定的满输出功率为止。
此时,您的电源提供最大连续输出功率。
所有输出都应保持稳压,并且处于指定的容差限值范围内。
否则,请停止测试,参照PI大学故障诊断课程中的内容来排查问题。
如果电源已进入自动重启动模式,请参见PI大学课程“修复无法提供满功率的反激式电源”。
第10章:
检验效率
当电源在最大连续负载和低压状态下运行时,对电源执行快速效率测量,并将测量结果与PIExpert指定的目标值进行比较。
如果发现测量的效率低于预期的5%以上,请参照PI大学故障诊断课程中的内容排查问题。
第11章:
峰值漏极电压(高压)
接下来,减小示波器的时基,并在漏极电压的上升沿触发。
将示波器设置为正常触发模式,然后缓慢增加触发电平,直至示波器在MOSFET电压出现最高峰值时偶尔触发。
利用示波器的光标测量MOSFET在此峰值时的最大电压。
现在,缓慢将AC输入电压增加到最大输入电压,增加50V后暂停,以增加触发电平,然后测量最高峰值。
一旦所测得的峰值漏极电压超过650VDC,则应停止增加输入电压,以防止该电压超过MOSFET的最大额定电压。
如果在被迫停止前尚未达到最大输入电压,则说明您的箝位电路可能设计有误,或者变压器漏感超过了预期值。
请先解决这一问题,然后再继续下一操作。
第12章:
欠压锁存
接下来,将各输出负载降至最低,然后切断AC输入。
如果您的设计中包含UV检测电路,则请重新连接该电路。
此外,应将一个万用表连接到输入大容量电容两端,设置为测量DC电压。
将AC输入归零并接通,然后缓慢增加电压,直至DC总线电压达到UV阈值的下限。
电源的启动电压应介于根据PowerIntegrations器件及您的UV电阻的容差所定义的两个限值之间。
而且,电源在电压达到您设计的最小AC输入电压之前应能启动。
在我们的设计范例中,电源应在DC总线上的78V到105VDC电压范围内启动,这由电阻和器件UV电流阈值的容差所定义。
第13章:
峰值漏极电压(过载)
电源启动后,将AC电压增加到最小输入电压,然后使电源上的负载达到满载。
在主输出上,开始缓慢增加负载,同时监测示波器上的峰值漏极电压。
在开始使电源输出过载时,确认该峰值电压始终不会超过650V峰值。
如果超过峰值,请停止测试,排查箝位电路上的问题。
一旦达到最大过载功率,输出将会失调。
这将触发PowerIntegrations器件并进入自动重启动,或者进行锁存关断。
自动重启动是对电压失调最常见的一种响应方式,但具体响应情况因器件系列和电路配置而异。
详细信息请参见产品数据手册。
记录电源在刚进入保护模式之前示波器上所显示的峰值漏极电压值。
如果该电压大于650VDC,您需要调整箝位电路。
电源过载会给所有元件带来压力,且会增加电源的损耗。
这将导致元件温度迅速升高,因此如果出现过热的情况,应立即停止测试,让电源慢慢冷却下来。
第14章:
峰值漏极电压(启动)
进行下一个测试时,需要将电源负载减小至满载。
如果电源已进入锁存关断模式,可能需要在电源返回正常操作模式之前切断并重新接通AC输入。
切断交流电源供应器,然后等待DC总线上的电压已降至约10V。
如果设计中采用了大容量电容,可能需要花费几分钟的时间。
使用电容放电板可以缩短这一时间。
接下来,您将检验启动时的漏极电压和电流波形。
将输入电压增至最大值,确保电源处于满载状态。
将示波器设置为在漏极电压波形的上升沿正常触发。
缓慢增加触发电平,直至找到可在正常工作模式下进行触发的最高电平。
然后切断交流输入,重新装上电源。
在增加触发电平的过程中继续这一操作,直至在装上电源的过程中抓取到最高峰值电压。
如果测得的最高电压超过650V峰值,则需要重新设计箝位。
第15章:
漏极电流波形(启动)
触发示波器上的漏极电流波形时重复上述操作程序,测量在装上电源时看到的最高电流。
检验电流波形的形状,看是否存在变压器饱和的迹象。
启动过程中,可能会看到两个电流波形中的一个。
左侧波形是正常电流脉冲,它在导通到关断的过程中呈线性斜升。
右侧电流脉冲表示存在变压器饱和的迹象。
请注意该脉冲是如何以类似指数的形式上升到更高端的。
这是变压器磁芯达到饱和且不能再贮存能量的临界点。
此时,初级电流将快速增大,可能会损坏PowerIntegrations器件或其他初级侧元件。
变压器饱和的主要原因是有过多的磁通在磁芯中累积。
如果在您的设计中发现饱和现象,首先需要与变压器供应商核实,看变压器是否严格按照PIExpert设计所指定的参数值进行制造。
此外,还应确保变压器的初级电感值处于设计所容许的容差限值范围内。
(请参见第16章,了解不使用LCR测量仪进行此测量的具体方法。
)如果器件限流点设定过高,也会造成变压器饱和。
请查阅所用器件的数据手册,了解检验限流点设定方式的信息。
如果变压器结构和限流点设定方式正确,您需要重新设计变压器,以减小磁芯的磁通密度。
您可以通过为变压器添加额外线圈或减小初级电感LP所容许的生产容差来实现这一点。
在PIExpert设计中增加线圈数时,可增加次级绕组圈数NS,软件将会按比例相应增加初级绕组圈数NP。
您也可以通过调节KP值来减小磁通密度。
如果初级限流点可设定且远高于您的功率级要求,那么降低限流点也会造成磁通量增大。
在特殊情况下,您也能需要通过增大磁芯尺寸来减小磁通密度。
您需要不断调整设计,直至最大磁通密度(BM)和峰值磁通密度(BP)都远低于PIExpert所指定的限值。
请注意,优化后的PIExpert设计应始终能把磁通密度限制到可接受的水平。
在手动调整设计时,如果所作的某个修改可使磁通密度骤然增大,PIExpert将会向您发出警告消息,提醒这一危险状况。
变压器磁芯过热时,也会造成变压器饱和。
发现饱和问题后,应检验变压器是否在适当的温度限值内进行工作。
必要时,请重新设计变压器,以降低磁芯和绕组损耗,并降低其工作温度。
在启动测试期间,可能会抓取到短脉冲,如上图所示。
这些脉冲都是正常的,是由低输出电压下变压器复位不足造成的。
第16章:
变压器初级电感量
现在切断AC输入,将高压示波器探针连接到输入大容量电容的端子。
然后,向电源施加最小的AC输入电压,将输出负载增至满载。
设定示波器,将高压探头连接在输入大容量电解电容两端,从而测量到DC总线电压,同时测量漏极开关电流波形。
利用示波器测量大部分线性斜升过程中的漏极电流的di/dt比值。
这部分通常处于流限的25%到75%之间。
此外,还应在用来测量电流变化的时间间隔内,同时测量平均DC总线电压。
利用这两个测量结果,您可以根据电感的基本关系式计算出变压器初级电感量的近似值:
V=LΔi/Δt
MOSFET导通后,变压器初级侧的电压将近似等于平均DC总线电压。
电感中的电流等于漏感电流。
调整该公式后,我们可以计算出L值:
L=VΔt/Δi
将计算得出的值与PIExpert中的指定值进行比较。
如果计算值超出给定的容差范围,则需联系变压器制造商以解决这一问题。
第17章:
初始电流尖峰
接下来,检查在MOSFET导通后随即出现的高初始电流。
切断交流电源供应器,将高压示波器探针重新连接到MOSFET两端,测量漏极开关电压。
然后,施加指定的最大AC输入电压,并将电源负载增至满载。
设定示波器,以便同时显示MOSFET电压和电流,并在漏极电压的上升沿触发。
调宽时基范围,以便监测一个完整的开关周期。
前沿消隐功能,在MOSFET导通后立即将流限传感器禁止一段时间。
这样可防止初始电流尖峰触发流限,使其提前结束电流脉冲。
不过,如果导通尖峰大于正常值,还是会触发器件的初始流限,并使传输到输出的功率受到限制。
PI前沿消隐功能
在指定的最低输入电压下重复此测量。
如果电源设计为在低压下以连续导通模式工作,则初始电流基值将会增大初始电流尖峰。
第18章:
偏置绕组电压
如果您在设计中采用了偏置绕组,则需关断AC输入并连接一个示波器电压探针,然后进行设置,测量偏置绕组输出滤波电容上的DC电压。
必要时,可将两个短接导线焊接到电路板背面,用作测试点。
然后,施加最小的AC输入电压,并移除电源输出上的所有负载。
通过示波器测量并记录偏置绕组电容在整个周期内的最低电压。
如果测量的最低偏置绕组电压低于8V,则可导致您的电源出现稳压问题。
要解决此问题,您需要增加偏置绕组的圈数以增大电压。
我们建议您在重新检测原型设计的电压之前,每次只添加一个线圈。
添加过多线圈将导致偏置绕组电压大幅升高,从而加大设计的空载功耗。
建议空载时的最低偏置绕组电压应大于8V,但小于约9V。
在有些设计中,增大偏置绕组滤波电容的值可提供足够的维持时间,使最低偏置绕组电压升至8V以上。
第19章:
输出二极管反向峰值电压(PIV)
接下来,检测输出二极管的PIV。
首先,关断AC输入,并断开电路板上的所有示波器探针。
然后,在待测量的输出二极管上连接一个低压探针,如下图所示,将接地线夹和探针尖分别连接到阴极和阳极。
另外,我们还插入了一个电流探针,与输出二极管串联,用于查看二极管电流。
不过,您在测量时并不一定要这样做。
施加最大的AC输入电压,并将电源负载增至满载。
观察示波器上显示的DC电压时,您将发现:
在二极管导通时二极管上的电压接近零值,二极管关断时电压迅速回复为负值。
该负电压即为逆向电压。
在任何测量点测量二极管出现的最高负电压,然后将该测量值与二极管的PIV额定值进行比较。
如果测量值等于或大于二极管额定值,那么该二极管将在尚未达到预期的元件寿命之前就会失效。
为提高元件的现场可靠性,PowerIntegrations建议在PIV测量值与二极管额定值之间维持20%的裕量。
如果您的二极管不符合这些要求,请换用PIV额定值更大的二极管,或者对二极管缓冲电路进行优化。
第20章:
满载效率
接下来,测量并记录电源在最低和最高AC输入电压下的满载效率。
如果满载效率比PIExpert预测值低出5%或更多,则需要解决此问题。
第21章:
元件温度
测量设计中关键元件的温度,其中包括二极管、电解电容、共模扼流圈、变压器磁芯、绕组以及PowerIntegrations器件。
执行这些测量应满足以下条件:
电源满载,且电源已在室温下工作大约20分钟。
分别测量最小和最大AC输入电压下的温度。
不过,温度通常在低压时最高。
不断增大所测室温的温度到指定的最高环境温度,以接近最差条件的环境温度。
将这些估计温度与元件数据手册中的最大工作温度进行比较。
在进行比较时,确保将您设计中的任何降额要求纳入考量。
您可以降低元件额定温度,以满足特定安全要求或延长元件使用寿命。
例如,电解电容的允许工作温度与元件的预期使用寿命成函数关系。
一个额定温度105℃、额定使用寿命2,000小时的电容,在70℃下连续工作时,其预期使用寿命可达到约20,000小时。
为便于参考,这里提供了部分主要元件的温度降额值。
如果发现某个元件或PCB变色,或是某个元件冒烟,请立即关断AC输入并解决这一问题。
第22章:
输出电压纹波
现在,测量输出电压纹波,确定它处在设计指定的限值范围内。
如果超出指定范围,或发现输出有明显的振荡,请参照PIUniversity的故障诊断课程解决这一问题。
第23章:
以最终负载启动
最后,关断AC输入,将电子负载从电源输出移除,然后连接实际负载。
将一个万用表连接到电源的输出端,监测输出电压。
将交流电源供应器设定为电源的最大AC电压,并装上电源。
检验电源能否在为实际负载供电的情况下启动并达到稳压。
将AC电压设定为最小限值,重复此测试。
如果电源在连接实际负载的情况下无法启动,您需要观看PI大学故障诊断课程“修复输出无法达到稳压的反激式电源”排查问题。
第24章:
为最终负载供电
如果您的负载具有不同的工作模式,请务必循环测试所有模式,确保电源永远不会进入自动重启动模式。
如果进入的话,说明您的负载所吸收的功率大于电源的额定输出功率。
此时,您需要认真分析负载特性,然后重新设计电源。
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