反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)與測試步驟(精)

初次設(shè)計(jì)反激電源式電源步驟準(zhǔn)備在初次設(shè)計(jì)電源之前，應(yīng)確保電源所采用的印刷電路板符合PowerIntegrations器件數(shù)據(jù)手冊中指定的布局指南。如果在實(shí)驗(yàn)用面包板或原始樣板上搭建設(shè)計(jì)的電路，會引入很多寄生元件，這樣會影響電源的正常工作。而且，許多實(shí)驗(yàn)用面包板都無法承載開關(guān)電源所產(chǎn)生的電流水平，并可能因而受損。此外，在這些電路板上非常難以控制爬電距離和電氣間隙。

所需設(shè)備在本課程中，您將用到以下設(shè)備：1.一個隔離式交流電源供應(yīng)器或一個自耦變壓器2.一個瓦特表3.至少四個數(shù)字萬用表，其中兩個具有高精度電流量程4.一個帶有高壓探針的示波器5.一個電流探針

6.還有您的實(shí)際負(fù)載第1章：術(shù)語

本課中將頻繁使用的兩個術(shù)語是“穩(wěn)壓”和“自動重啟動”。當(dāng)電源處于穩(wěn)壓狀態(tài)時，控制器持續(xù)接收反饋，所有輸出電壓均保持穩(wěn)定不變，并處于指定的容差限值內(nèi)。自動重啟動是PowerIntegrations器件中內(nèi)置的一種保護(hù)模式。

處于穩(wěn)壓狀態(tài)的輸出自動重啟動在工作期間，如果所消耗的功率大于電源所能提供的功率限值，或者在啟動后，電源的輸出電壓在指定的時間內(nèi)不能達(dá)到穩(wěn)壓，PowerIntegrations器件將進(jìn)入自動重啟動保護(hù)模式。這種設(shè)計(jì)通過限制電源在故障情況下提供的平均功率，可防止元件受損。有關(guān)特定的自動重啟動導(dǎo)通時間，請參見相關(guān)的PowerIntegrations器件數(shù)據(jù)手冊。

在測試期間，如果發(fā)現(xiàn)電源性能與本課程中所描述的情況不符，或者表現(xiàn)出任何異常特征，請停止測試程序，并參照其他PI大學(xué)故障診斷課程中的內(nèi)容排查問題，或者聯(lián)系當(dāng)?shù)豍I代表解決問題。第2章：設(shè)計(jì)信息現(xiàn)在就可以開始測試了。下面，我們將以使用TinySwitch-PK器件的RD-1151參考設(shè)計(jì)電路板為例進(jìn)行講解。該電源用于DVD播放器，可提供7.5W的連續(xù)輸出功率，峰值功率為13W。連續(xù)輸出功率分為四路輸出，它們包括：3.3V，500mA5V，500mA正12V，250mA負(fù)12V，30mA第3章：目測設(shè)計(jì)之前，應(yīng)先目測檢查電路板，確保所有極性組件都已正確插裝。雖然這種情況并不常見，但一個元件插裝錯誤卻能導(dǎo)致破壞性故障。即使在完成了元件插裝檢查后，我們?nèi)詮?qiáng)烈建議您在第一次設(shè)計(jì)電源時佩戴護(hù)目裝置。確保所有極性組件都已正確插裝

第4章：禁用欠壓鎖存第一步是檢查電源能否在低輸入電壓下正確工作，因此您需要禁用PowerIntegrations器件的欠壓鎖存功能（如果已啟用的話）。在大部分設(shè)計(jì)中，這意味著將UV電阻從電路板上卸除。在本設(shè)計(jì)范例中，UV電阻連接在DC總線和TOPSwitch-HX器件的M引腳之間。您需卸除這些電阻，使M引腳與源極短路。如果是其他產(chǎn)品，請參閱相應(yīng)的器件數(shù)據(jù)手冊，確定應(yīng)使用的正確元件和禁用UV功能的方法。第5章：極低電壓工作接下來，將兩個短導(dǎo)線焊接到輸入電容的負(fù)極和正極端子上，用作測試點(diǎn)。為了正確驗(yàn)證低電壓工作情況，您需要在施加低AC輸入電壓的過程中，監(jiān)測輸入電容的輸出電壓和DC總線電壓。將一個萬用表連接到電路板的輸出端子，并將另一個萬用表連接到輸入電容，利用兩個測試點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。這兩個萬用表都應(yīng)設(shè)置為讀取DC電壓。如果您的設(shè)計(jì)有多路輸出，可將負(fù)載電阻連接到主穩(wěn)壓輸出以外的任何輸出。負(fù)載電阻的大小應(yīng)能夠吸收為每個輸出指定的最小負(fù)載。這樣可防止這些輸出電壓因峰值充電而超出規(guī)格范圍。如果沒有為輸出指定最小負(fù)載，那么選擇電阻吸收5mA的輸出電流。將AC輸入導(dǎo)線連接到電路板。確保AC輸入正確連接到電源的輸入端子，而不是連接到DC輸出。AC輸入連接錯誤可嚴(yán)重?fù)p壞電源。在本測試中，您還需要測量AC輸入功率。如果您有瓦特表，請參照其操作手冊中有關(guān)如何安裝到AC輸入通道的說明，配置為測量AC電壓、電流及輸入功率。如果沒有瓦特表可用，可將第三個萬用表與AC輸入串聯(lián)，設(shè)置為測量AC電流。再將第四個萬用表連接到電源輸入端子，測量AC電壓。如果變壓器結(jié)構(gòu)和限流點(diǎn)設(shè)定方式正確，您需要重新設(shè)計(jì)變壓器，以減小磁芯的磁通密度。您可以通過為變壓器添加額外線圈或減小初級電感LP所容許的生產(chǎn)容差來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在PIExpert設(shè)計(jì)中增加線圈數(shù)時，可增加次級繞組圈數(shù)NS，軟件將會按比例相應(yīng)增加初級繞組圈數(shù)NP。您也可以通過調(diào)節(jié)KP值來減小磁通密度。如果初級限流點(diǎn)可設(shè)定且遠(yuǎn)高于您的功率級要求，那么降低限流點(diǎn)也會造成磁通量增大。在特殊情況下，您也能需要通過增大磁芯尺寸來減小磁通密度。您需要不斷調(diào)整設(shè)計(jì)，直至最大磁通密度(BM)和峰值磁通密度(BP)都遠(yuǎn)低于PIExpert所指定的限值。請注意，優(yōu)化后的PIExpert設(shè)計(jì)應(yīng)始終能把磁通密度限制到可接受的水平。在手動調(diào)整設(shè)計(jì)時，如果所作的某個修改可使磁通密度驟然增大，PIExpert將會向您發(fā)出警告消息，提醒這一危險(xiǎn)狀況。變壓器磁芯過熱時，也會造成變壓器飽和。發(fā)現(xiàn)飽和問題后，應(yīng)檢驗(yàn)變壓器是否在適當(dāng)?shù)臏囟认拗祪?nèi)進(jìn)行工作。必要時，請重新設(shè)計(jì)變壓器，以降低磁芯和繞組損耗，并降低其工作溫度。在啟動測試期間，可能會抓取到短脈沖，如上圖所示。這些脈沖都是正常的，是由低輸出電壓下變壓器復(fù)位不足造成的。第16章：變壓器初級電感量現(xiàn)在切斷AC輸入，將高壓示波器探針連接到輸入大容量電容的端子。然后，向電源施加最小的AC輸入電壓，將輸出負(fù)載增至滿載。設(shè)定示波器，將高壓探頭連接在輸入大容量電解電容兩端，從而測量到DC總線電壓，同時測量漏極開關(guān)電流波形。利用示波器測量大部分線性斜升過程中的漏極電流的di/dt比值。這部分通常處于流限的25%到75%之間。此外，還應(yīng)在用來測量電流變化的時間間隔內(nèi)，同時測量平均DC總線電壓。利用這兩個測量結(jié)果，您可以根據(jù)電感的基本關(guān)系式計(jì)算出變壓器初級電感量的近似值：V=LΔi/ΔtMOSFET導(dǎo)通后，變壓器初級側(cè)的電壓將近似等于平均DC總線電壓。電感中的電流等于漏感電流。調(diào)整該公式后，我們可以計(jì)算出L值：L=VΔt/Δi將計(jì)算得出的值與PIExpert中的指定值進(jìn)行比較。如果計(jì)算值超出給定的容差范圍，則需聯(lián)系變壓器制造商以解決這一問題。第17章：初始電流尖峰接下來，檢查在MOSFET導(dǎo)通后隨即出現(xiàn)的高初始電流。切斷交流電源供應(yīng)器，將高壓示波器探針重新連接到MOSFET兩端，測量漏極開關(guān)電壓。然后，施加指定的最大AC輸入電壓，并將電源負(fù)載增至滿載。設(shè)定示波器，以便同時顯示MOSFET電壓和電流，并在漏極電壓的上升沿觸發(fā)。調(diào)寬時基范圍，以便監(jiān)測一個完整的開關(guān)周期。

前沿消隱功能，在MOSFET導(dǎo)通后立即將流限傳感器禁止一段時間。這樣可防止初始電流尖峰觸發(fā)流限，使其提前結(jié)束電流脈沖。不過，如果導(dǎo)通尖峰大于正常值，還是會觸發(fā)器件的初始流限，并使傳輸?shù)捷敵龅墓β适艿较拗啤?/p>

PI前沿消隱功能在指定的最低輸入電壓下重復(fù)此測量。如果電源設(shè)計(jì)為在低壓下以連續(xù)導(dǎo)通模式工作，則初始電流基值將會增大初始電流尖峰。第18章：偏置繞組電壓如果您在設(shè)計(jì)中采用了偏置繞組，則需關(guān)斷AC輸入并連接一個示波器電壓探針，然后進(jìn)行設(shè)置，測量偏置繞組輸出濾波電容上的DC電壓。必要時，可將兩個短接導(dǎo)線焊接到電路板背面，用作測試點(diǎn)。然后，施加最小的AC輸入電壓，并移除電源輸出上的所有負(fù)載。通過示波器測量并記錄偏置繞組電容在整個周期內(nèi)的最低電壓。如果測量的最低偏置繞組電壓低于8V，則可導(dǎo)致您的電源出現(xiàn)穩(wěn)壓問題。要解決此問題，您需要增加偏置繞組的圈數(shù)以增大電壓。我們建議您在重新檢測原型設(shè)計(jì)的電壓之前，每次只添加一個線圈。添加過多線圈將導(dǎo)致偏置繞組電壓大幅升高，從而加大設(shè)計(jì)的空載功耗。建議空載時的最低偏置繞組電壓應(yīng)大于8V，但小于約9V。在有些設(shè)計(jì)中，增大偏置繞組濾波電容的值可提供足夠的維持時間，使最低偏置繞組電壓升至8V以上。第19章：輸出二極管反向峰值電壓(PIV)接下來，檢測輸出二極管的PIV。首先，關(guān)斷AC輸入，并斷開電路板上的所有示波器探針。然后，在待測量的輸出二極管上連接一個低壓探針，如下圖所示，將接地線夾和探針尖分別連接到陰極和陽極。另外，我們還插入了一個電流探針，與輸出二極管串聯(lián)，用于查看二極管電流。不過，您在測量時并不一定要這樣做。施加最大的AC輸入電壓，并將電源負(fù)載增至滿載。觀察示波器上顯示的DC電壓時，您將發(fā)現(xiàn)：在二極管導(dǎo)通時二極管上的電壓接近零值，二極管關(guān)斷時電壓迅速回復(fù)為負(fù)值。該負(fù)電壓即為逆向電壓。在任何測量點(diǎn)測量二極管出現(xiàn)的最高負(fù)電壓，然后將該測量值與二極管的PIV額定值進(jìn)行比較。如果測量值等于或大于二極管額定值，那么該二極管將在尚未達(dá)到預(yù)期的元件壽命之前就會失效。為提高元件的現(xiàn)場可靠性，PowerIntegrations建議在PIV測量值與二極管額定值之間維持20%的裕量。如果您的二極管不符合這些要求，請換用PIV額定值更大的二極管，或者對二極管緩沖電路進(jìn)行優(yōu)化。第20章：滿載效率接下來，測量并記錄電源在最低和最高AC輸入電壓下的滿載效率。如果滿載效率比PIExpert預(yù)測值低出5%或更多，則需要解決此問題。第21章：元件溫度測量設(shè)計(jì)中關(guān)鍵元件的溫度，其中包括二極管、電解電容、共模扼流圈、變壓器磁芯、繞組以及PowerIntegrations器件。執(zhí)行這些測量應(yīng)滿足以下條件：電源滿載，且電源已在室溫下工作大約20分鐘。分別測量最小和最大AC輸入電壓下的溫度。不過，溫度通常在低壓時最高。不斷增大所測室溫的溫度到指定的最高環(huán)境溫度，以接近最差條件的環(huán)境溫度。將這些估計(jì)溫度與元件數(shù)據(jù)手冊中的最大工作溫度進(jìn)行比較。在進(jìn)行比較時，確保將您設(shè)計(jì)中的任何降額要求納入考量。您可以降低元件額定溫度，以滿足特定安全要求或延長元件使用壽命。例如，電解電容的允許工作溫度與元件的預(yù)期使用壽命成函數(shù)關(guān)系。一個額定溫度105℃、額定使用壽命2,000小時的電容，在70℃下連續(xù)工作時，其預(yù)期使用壽命可達(dá)到約20,000小時。為便于參考，這里提供了部分主要元件的溫度降額值。如果發(fā)現(xiàn)某個元件或PCB變色，或是某個元件冒煙，請立即關(guān)斷AC輸入并解決這一問題。第22章：輸出電壓紋波現(xiàn)在，測量輸出電壓紋波，確定它處在設(shè)計(jì)指定的限值范圍內(nèi)。如果超出指定范圍，或發(fā)現(xiàn)輸出有明顯的振蕩，請參照PIUniversity的故障診斷課程解決這一問題。第23章：以最終負(fù)載啟動最后，關(guān)斷AC輸入，將電子負(fù)載從電源輸出移除，然后連接實(shí)際負(fù)載。將一個萬用表連接到電源的輸出端，監(jiān)測輸出電壓。將交流電源供應(yīng)器設(shè)定為電源的最大AC電壓，并裝上電源。檢驗(yàn)