初學者設計反激電源式電源步驟

準備

在初次設計電源之前，應確保電源所采用的印刷電路板符合Power Integrations器件數(shù)據(jù)手冊中指定的布局指南。如果在實驗用面包板或原始樣板上搭建設計的電路，會引入很多寄生元件，這樣會影響電源的正常工作。而且，許多實驗用面包板都無法承載開關電源所產(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。

所需設備

在本課程中，您將用到以下設備：

1.一個隔離式交流電源供應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. 還有您的實際負載

第1章：術語本課中將頻繁使用的兩個術語是“穩(wěn)壓”和“自動重啟動”。當電源處于穩(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Power Integrations器件中內(nèi)置的一種保護模式。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)不能達到穩(wěn)壓，Power Integrations器件將進入自動重啟動保護模式。這種設計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。有關特定的自動重啟動導通時間，請參見相關的Power Integrations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大學故障診斷課程中的內(nèi)容排查問題，或者聯(lián)系當?shù)豍I代表解決問題。

第2章：設計信息

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-1151參考設計電路板為例進行講解。該電源用于DVD播放器，可提供7.5 W的連續(xù)輸出功率，峰值功率為13 W。連續(xù)輸出功率分為四路輸出，它們包括

3.3 V，500 mA

5 V，500 mA

正12 V，250 mA

負12 V，30 mA

第3章：目測

設計之前，應先目測檢查電路板，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致破壞性故障。即使在完成了元件插裝檢查后，我們?nèi)詮娏医ㄗh您在第一次設計電源時佩戴護目裝置。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Power Integrations器件的欠壓鎖存功能（如果已啟用的話）。在大部分設計中，這意味著將UV電阻從電路板上卸除。在本設計范例中，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，請參閱相應的器件數(shù)據(jù)手冊，確定應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，將兩個短導線焊接到輸入電容的負極和正極端子上，用作測試點。為了正確驗證低電壓工作情況，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，利用兩個測試點進行監(jiān)測。這兩個萬用表都應設置為讀取DC電壓。

如果您的設計有多路輸出，可將負載電阻連接到主穩(wěn)壓輸出以外的任何輸出。負載電阻的大小應能夠吸收為每個輸出指定的最小負載。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載，那么選擇電阻吸收5 mA的輸出電流。將AC輸入導線連接到電路板。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輸入連接錯誤可嚴重損壞電源。

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。

現(xiàn)在，確保自耦變壓器或交流電源供應器設置為零，然后將其開啟。將輸入電壓慢慢提高到約10 VAC。您應該可以在瓦特表或輸入萬用表上看到AC輸入電壓在逐步增大。如果沒看到的話，應確認您的交流電源供應器是否配置正確。您還應該看到DC總線電壓在您施加AC電壓的過程中不斷增大。

如果您使用的是瓦特表，穩(wěn)態(tài)AC輸入功率應小于15 mW。如果您使用的是兩個萬用表，穩(wěn)態(tài)AC電流讀數(shù)應小于10 mA。如果您看到輸入功率或AC電流高于此值，那么說明您的電路板存在故障。關閉交流電源供應器，斷開AC輸入連接。

在上述情況下，持續(xù)提高AC電壓會對電路板造成破壞性故障。有關確定和修復電路板故障的信息，請參見PI大學課程“修復無輸出電壓的反激式電源”。

第6章：啟動和穩(wěn)壓

如果輸入功率小于15 mW，則可繼續(xù)將電壓增大到50 VAC。觀測DC輸出電壓，如果輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)、自動重啟動狀態(tài)，或者輸出電壓表上的電壓讀數(shù)大于0.1 V，則說明的電路板未受損且功能正常。

繼續(xù)將AC輸入電壓增大至指定的最小輸入電壓。如果電源無法啟動或達到穩(wěn)壓，請停止測試，并參照PI大學課程“修復輸出無法達到穩(wěn)壓的反激式電源”排查問題。

現(xiàn)在，關閉AC輸入，將輸入導線從電路板斷開，將輸入電容放電至安全的電壓水平。此外，將萬用表從DC大容量電容斷開。

第7章：MOSFET漏極開關波形

接下來，您需要監(jiān)測漏極開關波形。斷開電路板上的漏極走線，插入一個電流環(huán)。確保此斷開點介于Power Integrations器件漏極引腳與箝位電路中的任何元件之間。這樣可以確保探針只檢測到MOSFET電流。

將一個1000 V或更大倍數(shù)的x100探針連接到MOSFET兩端來測量開關電壓。將示波器配置為以適當?shù)谋壤瑫r顯示電壓和電流波形，并設置一個寬時基，以便在一幀圖像上顯示許多開關周期。例如，對于這個132 kHz設計，可將時基設置為每格50 μs。

第8章：負載主輸出

現(xiàn)在，將一個電子負載連接到電源的主輸出，確保負載設置為零。將兩個萬用表連接到該輸出，一個連接到輸出端子來測量輸出電壓，另一個與電子負載串聯(lián)來測量輸出電流。用精度最高的萬用表來測量輸出電流。重新將AC輸入導線連接到電路板，確保自耦變壓器或交流電源供應器設置為零?，F(xiàn)在，接通AC輸入，慢慢將電壓增大至電源的最小指定輸入電壓。慢慢將電源的負載增大至滿功率的25%。輸出電壓應維持在指定穩(wěn)壓容差范圍內(nèi)。繼續(xù)將負載提升到滿載。輸出電壓應保持穩(wěn)定，并處于穩(wěn)壓限值范圍內(nèi)

第9章：滿載工作

如果您的設計采用多路輸出，請關斷AC輸入，拆下早前安裝的最小負載電阻。將所有這些電阻都分別替換為電子負載，直到您電源的所有輸出都加有負載。如果此時沒有電子負載可用，請參照電力電子裝置導論課程了解更多負載選項，以及如何替代它們的信息。按照前面所講的方法，連接兩個萬用表來監(jiān)測每個輸出的輸出電壓和電流。本設計總共有4路輸出，因此總共需要8個萬用表，其中至少4個應具有高精度電流量程。這種配置便于進行快速測量。如果沒有足夠的這種萬用表可用，可以用一個萬用表來測量所有電壓，方法是將它輪流連接到所有輸出，分別測量電壓，一次測量一個輸出。

將所有負載設置為從每個輸出吸收少量的電流，避免峰值充電的發(fā)生。再次將AC輸入歸零，然后接通，慢慢將輸入增大至電源的最小工作電壓。從主輸出開始逐個慢慢增大每個輸出的負載，以達到該輸出的額定滿載點，直到電源的所有負載都提供指定的滿輸出功率為止。

此時，您的電源提供最大連續(xù)輸出功率。所有輸出都應保持穩(wěn)壓，并且處于指定的容差限值范圍內(nèi)。否則，請停止測試，參照PI大學故障診斷課程中的內(nèi)容來排查問題。如果電源已進入自動重啟動模式，請參見PI大學課程“修復無法提供滿功率的反激式電源”。

第10章：檢驗效率

當電源在最大連續(xù)負載和低壓狀態(tài)下運行時，對電源執(zhí)行快速效率測量，并將測量結果與PI Expert指定的目標值進行比較。如果發(fā)現(xiàn)測量的效率低于預期的5%以上，請參照PI大學故障診斷課程中的內(nèi)容排查問題。

第11章：峰值漏極電壓（高壓）

接下來，減小示波器的時基，并在漏極電壓的上升沿觸發(fā)。將示波器設置為正常觸發(fā)模式，然后緩慢增加觸發(fā)電平，直至示波器在MOSFET電壓出現(xiàn)最高峰值時偶爾觸發(fā)。

利用示波器的光標測量MOSFET在此峰值時的最大電壓?，F(xiàn)在，緩慢將AC輸入電壓增加到最大輸入電壓，增加50 V后暫停，以增加觸發(fā)電平，然后測量最高峰值。

一旦所測得的峰值漏極電壓超過650 VDC，則應停止增加輸入電壓，以防止該電壓超過MOSFET的最大額定電壓。如果在被迫停止前尚未達到最大輸入電壓，則說明您的箝位電路可能設計有誤，或者變壓器漏感超過了預期值。請先解決這一問題，然后再繼續(xù)下一操作。

第12章：欠壓鎖存

接下來，將各輸出負載降至最低，然后切斷AC輸入。如果您的設計中包含UV檢測電路，則請重新連接該電路。此外，應將一個萬用表連接到輸入大容量電容兩端，設置為測量DC電壓。將AC輸入歸零并接通，然后緩慢增加電壓，直至DC總線電壓達到UV閾值的下限。電源的啟動電壓應介于根據(jù)Power Integrations器件及您的UV電阻的容差所定義的兩個限值之間。而且，電源在電壓達到您設計的最小AC輸入電壓之前應能啟動。

在我們的設計范例中，電源應在DC總線上的78 V到105 VDC電壓范圍內(nèi)啟動，這由電阻和器件UV電流閾值的容差所定義。

第13章：峰值漏極電壓（過載）

電源啟動后，將AC電壓增加到最小輸入電壓，然后使電源上的負載達到滿載。在主輸出上，開始緩慢增加負載，同時監(jiān)測示波器上的峰值漏極電壓。在開始使電源輸出過載時，確認該峰值電壓始終不會超過650 V峰值。如果超過峰值，請停止測試，排查箝位電路上的問題。

一旦達到最大過載功率，輸出將會失調。這將觸發(fā)Power Integrations器件并進入自動重啟動，或者進行鎖存關斷。自動重啟動是對電壓失調最常見的一種響應方式，但具體響應情況因器件系列和電路配置而異。詳細信息請參見產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊。記錄電源在剛進入保護模式之前示波器上所顯示的峰值漏極電壓值。如果該電壓大于650 VDC，您需要調整箝位電路。電源過載會給所有元件帶來壓力，且會增加電源的損耗。這將導致元件溫度迅速升高，因此如果出現(xiàn)過熱的情況，應立即停止測試，讓電源慢慢冷卻下來。

第14章：峰值漏極電壓（啟動）

進行下一個測試時，需要將電源負載減小至滿載。如果電源已進入鎖存關斷模式，可能需要在電源返回正常操作模式之前切斷并重新接通AC輸入。切斷交流電源供應器，然后等待DC總線上的電壓已降至約10 V。如果設計中采用了大容量電容，可能需要花費幾分鐘的時間。使用電容放電板可以縮短這一時間。

接下來，您將檢驗啟動時的漏極電壓和電流波形。將輸入電壓增至最大值，確保電源處于滿載狀態(tài)。將示波器設置為在漏極電壓波形的上升沿正常觸發(fā)。緩慢增加觸發(fā)電平，直至找到可在正常工作模式下進行觸發(fā)的最高電平。然后切斷交流輸入，重新裝上電源。

在增加觸發(fā)電平的過程中繼續(xù)這一操作，直至在裝上電源的過程中抓取到最高峰值電壓。如果測得的最高電壓超過650 V 峰值，則需要重新設計箝位。

第15章：漏極電流波形（啟動）

觸發(fā)示波器上的漏極電流波形時重復上述操作程序，測量在裝上電源時看到的最高電流。檢驗電流波形的形狀，看是否存在變壓器飽和的跡象。啟動過程中，可能會看到兩個電流波形中的一個。左側波形是正常電流脈沖，它在導通到關斷的過程中呈線性斜升。右側電流脈沖表示存在變壓器飽和的跡象。請注意該脈沖是如何以類似指數(shù)的形式上升到更高端的。這是變壓器磁芯達到飽和且不能再貯存能量的臨界點。此時，初級電流將快速增大，可能會損壞Power Integrations器件或其他初級側元件。變壓器飽和的主要原因是有過多的磁通在磁芯中累積。如果在您的設計中發(fā)現(xiàn)飽和現(xiàn)象，首先需要與變壓器供應商核實，看變壓器是否嚴格按照PI Expert設計所指定的參數(shù)值進行制造。此外，還應確保變壓器的初級電感值處于設計所容許的容差限值范圍內(nèi)。（請參見第16章，了解不使用LCR測量儀進行此測量的具體方法。）如果器件限流點設定過高，也會造成變壓器飽和。請查閱所用器件的數(shù)據(jù)手冊，了解檢驗限流點設定方式的信息。

如果變壓器結構和限流點設定方式正確，您需要重新設計變壓器，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)容差來實現(xiàn)這一點。在PI Expert設計中增加線圈數(shù)時，可增加次級繞組圈數(shù)NS，軟件將會按比例相應增加初級繞組圈數(shù)NP。您也可以通過調節(jié)KP值來減小磁通密度。如果初級限流點可設定且遠高于您的功率級要求，那么降低限流點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。您需要不斷調整設計，直至最大磁通密度(BM)和峰值磁通密度(BP)都遠低于PI Expert所指定的限值。請注意，優(yōu)化后的PI Expert設計應始終能把磁通密度限制到可接受的水平。在手動調整設計時，如果所作的某個修改可使磁通密度驟然增大，PI Expert將會向您發(fā)出警告消息，提醒這一危險狀況。

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，應檢驗變壓器是否在適當?shù)臏囟认拗祪?nèi)進行工作。必要時，請重新設計變壓器，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，將輸出負載增至滿載。設定示波器，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。利用這兩個測量結果，您可以根據(jù)電感的基本關系式計算出變壓器初級電感量的近似值：V = L Δi/Δt

MOSFET導通后，變壓器初級側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。調整該公式后，我們可以計算出L值：L = V Δt/Δi

將計算得出的值與PI Expert中的指定值進行比較。如果計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導通后隨即出現(xiàn)的高初始電流。切斷交流電源供應器，將高壓示波器探針重新連接到MOSFET兩端，測量漏極開關電壓。然后，施加指定的最大AC輸入電壓，并將電源負載增至滿載。設定示波器，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)。調寬時基范圍，以便監(jiān)測一個完整的開關周期。前沿消隱功能，在MOSFET導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，使其提前結束電流脈沖。不過，如果導通尖峰大于正常值，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?。PI前沿消隱功能

在指定的最低輸入電壓下重復此測量。如果電源設計為在低壓下以連續(xù)導通模式工作，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

如果您在設計中采用了偏置繞組，則需關斷AC輸入并連接一個示波器電壓探針，然后進行設置，測量偏置繞組輸出濾波電容上的DC電壓。必要時，可將兩個短接導線焊接到電路板背面，用作測試點。然后，施加最小的AC輸入電壓，并移除電源輸出上的所有負載。

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8 V，則可導致您的電源出現(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計的電壓之前，每次只添加一個線圈。添加過多線圈將導致偏置繞組電壓大幅升高，從而加大設計的空載功耗。建議空載時的最低偏置繞組電壓應大于8 V，但小于約9 V。在有些設計中，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8 V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)：在二極管導通時二極管上的電壓接近零值，二極管關斷時電壓迅速回復為負值。該負電壓即為逆向電壓。在任何測量點測量二極管出現(xiàn)的最高負電壓，然后將該測量值與二極管的PIV額定值進行比較。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到預期的元件壽命之前就會失效。

為提高元件的現(xiàn)場可靠性，Power Integrations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PI Expert預測值低出5%或更多，則需要解決此問題。

第21章：元件溫度

測量設計中關鍵元件的溫度，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Power Integrations器件。執(zhí)行這些測量應滿足以下條件：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。將這些估計溫度與元件數(shù)據(jù)手冊中的最大工作溫度進行比較。在進行比較時，確保將您設計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期使用壽命成函數(shù)關系。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，其預期使用壽命可達到約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，確定它處在設計指定的限值范圍內(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PI University的故障診斷課程解決這一問題。

第23章：以最終負載啟動

最后，關斷AC輸入，將電子負載從電源輸出移除，然后連接實際負載。將一個萬用表連接到電源的輸出端，監(jiān)測輸出電壓。將交流電源供應器設定為電源的最大AC電壓，并裝上電源。檢驗電源能否在為實際負載供電的情況下啟動并達到穩(wěn)壓。

將AC電壓設定為最小限值，重復此測試。如果電源在連接實際負載的情況下無法啟動，您需要觀看PI大學故障診斷課程“修復輸出無法達到穩(wěn)壓的反激式電源”排查問題。

第24章：為最終負載供電

如果您的負載具有不同的工作模式，請務必循環(huán)測試所有模式，確保電源永遠不會進入自動重啟動模式。如果進入的話，說明您的負載所吸收的功率大于電源的額定輸出功率。此時，您需要認真分析負載特性，然后重新設計電源。