反激式开关电源设计与测试步骤

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1、初次设计反激电源式电源步骤准备在初次设计电源之前，应确保电源所采用的印刷电路板符合 Power Integrations 器件数据 手册中指定的布局指南。如果在实验用面包板或原始样板上搭建设计的电路，会引入很多寄 生元件，这样会影响电源的正常工作。而且，许多实验用面包板都无法承载开关电源所产生 的电流水平，并可能因而受损。此外，在这些电路板上非常难以控制爬电距离和电气间隙。所需设备在本课程中，您将用到以下设备：1. 一个隔离式交流电源供应器或一个自耦变压器2. 一个瓦特表3. 至少四个数字万用表，其中两个具有高精度电流量程4. 一个带有高压探针的示波器5. 一个电流探针6. 还有您的实际负载第

2、 1 章：术语 本课中将频繁使用的两个术语是“稳压”和“自动重启动”。当电源处于稳压状态时，控制 器持续接收反馈，所有输出电压均保持稳定不变，并处于指定的容差限值内。自动重启动是 Power Integrations 器件中内置的一种保护模式。处于稳压状态的输出自动重启动在工作期间，如果所消耗的功率大于电源所能提供的功率限值，或者在启动后，电源的输出 电压在指定的时间内不能达到稳压，Power Integrations器件将进入自动重启动保护模式。 这种设计通过限制电源在故障情况下提供的平均功率，可防止元件受损。有关特定的自动重 启动导通时间，请参见相关的 Power Integrations

3、 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7.5 W的连续输出功率，峰值功率为13 W。连续输出功率分为四路输出，它们包括：3.3 V， 500 mA5 V， 500 mA正 12 V， 250 mA负 12 V， 30 mA第 3 章：目测设计之前，应先目测检查电路板，

4、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 Power Integrations 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

5、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5 mA的输出电流。将AC输入导线连接

6、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 10 VAC 。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

7、。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15 mW。如果您使用的是两个万用表，稳态 AC电流读数应小于10 mA。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15 mW,则可继续将电压增大到50 VAC。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

8、表上的电压读数大于0.1 V,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 Power Integrations 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1000

9、 V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132 kHz设计，可将时基设置为每格50 “S。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

10、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

11、，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

12、：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 PI Expert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 50 V 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650

13、 VDC,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Power Integrations器件及您的UV电阻的容差所定义的两个限 值之间。而且，电

14、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78 V到105 VDC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 650 V 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 Power Integrations 器件并进入自动重 启动，或者进行锁存关断。自动重启

15、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 650 VDC,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10 V。如果设计中采用

16、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 650 V 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

17、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 Power Integrations 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PI Expert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

18、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 PI Expert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

19、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PI Expert所指定的限值。请注意，优化后的PI Expert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， PI Expert 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

20、 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 = L i/A tMOSFET 导通后，变压器初级侧的电压将近似等于平均 DC

21、 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 = V A t/A i将计算得出的值与PI Expert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

22、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

23、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8 V,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8 V，但小于约9 V。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8 V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

24、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，Power Integration

25、s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PI Expert 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 Power Integrations 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

26、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105C、额定使用寿命2,000 小时的电容，在70C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

27、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 PI University 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。 （电源网原创转载请注明出处）