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​反激式高频开关电源规划与测验过程

初度规划反激高频开关电源式高频开关电源过程
在初度规划高频开关电源之前,应保证高频开关电源所选用的印刷电路板契合Power Integrations器材数据手册中指定的布局指南。如果在试验用面包板或原始样板上建立规划的电路,会引进许多寄生元件,这样会影响高频开关电源的正常作业。并且,许多试验用面包板都无法承载高频开关电源所发作的电流水平,并可能因而受损。此外,在这些电路板上非常难以操控爬电距离和电气空隙。
 
 所需设备
在本课程中,您将用到以下设备:
1.一个阻隔式沟通高频开关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,其间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. 还有您的实践负载
第1章:术语
本课中将频频运用的两个术语是“稳压”和“主动重发动”。当高频开关电源处于稳压状况时,操控器持续接纳反馈,一切输出电压均坚持稳定不变,并处于指定的容差限值内。主动重发动是Power Integrations器材中内置的一种保护形式。
处于稳压状况的输出
主动重发动
在作业期间,如果所耗费的功率大于高频开关电源所能供给的功率限值,或许在发动后,高频开关电源的输出电压在指定的时刻内不能到达稳压,Power Integrations器材将进入主动重发动保护形式。这种规划经过约束高频开关电源在毛病状况下供给的均匀功率,可避免元件受损。有关特定的主动重发动导通时刻,请拜见相关的Power Integrations器材数据手册。
在测验期间,如果发现高频开关电源性能与本课程中所描绘的状况不符,或许表现出任何反常特征,请中止测验程序,并参照其他PI大学毛病诊断课程中的内容排查问题,或许联络当地PI代表处理问题。
第2章:规划信息
现在就能够开端测验了。下面,我们将以运用TinySwitch -PK器材的RD-1151参阅规划电路板为例进行讲解。该高频开关电源用于DVD播放器,可供给7.5 W的接连输出功率,峰值功率为13 W。接连输出功率分为四路输出,它们包含:
3.3 V,500 mA
5 V,500 mA
正12 V,250 mA
负12 V,30 mA
第3章:目测
规划之前,应先目测检查电路板,保证一切极性组件都已正确插装。尽管这种状况并不常见,但一个元件插装过错却能导致破坏性毛病。
即便在完成了元件插装检查后,我们仍强烈主张您在第一次规划高频开关电源时佩带护目设备。保证一切极性组件都已正确插装
第4章:禁用欠压锁存
第一步是检查高频开关电源能否在低输入电压下正确作业,因而您需求禁用Power Integrations器材的欠压锁存功用(如果已启用的话)。在大部分规划中,这意味着将UV电阻从电路板上卸除。在本规划典范中,UV电阻衔接在DC总线和TOPSwitch -HX器材的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,请参阅相应的器材数据手册,断定应运用的正确元件和禁用UV功用的办法。
第5章:极低电压作业
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,用作测验点。为了正确验证低电压作业状况,您需求在施加低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。将一个万用表衔接到电路板的输出端子,并将另一个万用表衔接到输入电容,运用两个测验点进行监测。这两个万用表都应设置为读取DC电压。
如果您的规划有多路输出,可将负载电阻衔接到主稳压输出以外的任何输出。负载电阻的巨细应能够吸收为每个输出指定的最小负载。这样可避免这些输出电压因峰值充电而超出标准规模。
如果没有为输出指定最小负载,那么挑选电阻吸收5 mA的输出电流。将AC输入导线衔接到电路板。保证AC输入正确衔接到高频开关电源的输入端子,而不是衔接到DC输出。AC输入衔接过错可严峻损坏高频开关电源。
在本测验中,您还需求丈量AC输入功率。如果您有瓦特表,请参照其操作手册中有关怎么设备到AC输入通道的阐明,装备为丈量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,设置为丈量AC电流。再将第四个万用表衔接到高频开关电源输入端子,丈量AC电压。
现在,保证自耦变压器或沟通高频开关电源供应器设置为零,然后将其敞开。将输入电压渐渐进步到约10 VAC。您应该能够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,应承认您的沟通高频开关电源供应器是否装备正确。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。
如果您运用的是瓦特表,稳态AC输入功率应小于15 mW。如果您运用的是两个万用表,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,那么阐明您的电路板存在毛病。封闭沟通高频开关电源供应器,断开AC输入衔接。
在上述状况下,持续进步AC电压会对电路板形成破坏性毛病。有关断定和修正电路板毛病的信息,请拜见PI大学课程“修正无输出电压的反激式高频开关电源”。
第6章:发动和稳压
如果输入功率小于15 mW,则可持续将电压增大到50 VAC。观测DC输出电压,如果输出处于稳压状况、主动重发动状况,或许输出电压表上的电压读数大于0.1 V,则阐明的电路板未受损且功用正常。
持续将AC输入电压增大至指定的最小输入电压。如果高频开关电源无法发动或到达稳压,请中止测验,并参照PI大学课程“修正输出无法到达稳压的反激式高频开关电源”排查问题。
现在,封闭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,您需求监测漏极开关波形。断开电路板上的漏极走线,刺进一个电流环。保证此断开点介于Power Integrations器材漏极引脚与箝位电路中的任何元件之间。这样能够保证探针只检测到MOSFET电流。
将一个1000 V或更大倍数的x100探针衔接到MOSFET两头来丈量开关电压。将示波器装备为以适当的份额一起显现电压和电流波形,并设置一个宽时基,以便在一帧图画上显现许多开关周期。例如,关于这个132 kHz规划,可将时基设置为每格50 μs。
第8章:负载主输出
现在,将一个电子负载衔接到高频开关电源的主输出,保证负载设置为零。将两个万用表衔接到该输出,一个衔接到输出端子来丈量输出电压,另一个与电子负载串联来丈量输出电流。用精度最高的万用表来丈量输出电流。
从头将AC输入导线衔接到电路板,保证自耦变压器或沟通高频开关电源供应器设置为零。现在,接通AC输入,渐渐将电压增大至高频开关电源的最小指定输入电压。渐渐将高频开关电源的负载增大至满功率的25%。输出电压应保持在指定稳压容差规模内。持续将负载提升到满载。输出电压应坚持稳定,并处于稳压限值规模内。
第9章:满载作业
如果您的规划选用多路输出,请关断AC输入,拆下早前设备的最小负载电阻。将一切这些电阻都别离替换为电子负载,直到您高频开关电源的一切输出都加有负载。如果此刻没有电子负载可用,请参照电力电子设备导论课程了解更多负载选项,以及怎么代替它们的信息。
依照前面所讲的办法,衔接两个万用表来监测每个输出的输出电压和电流。本规划总共有4路输出,因而总共需求8个万用表,其间至少4个应具有高精度电流量程。这种装备便于进行快速丈量。如果没有满意的这种万用表可用,能够用一个万用表来丈量一切电压,办法是将它轮番衔接到一切输出,别离丈量电压,一次丈量一个输出。
将一切负载设置为从每个输出吸收少数的电流,避免峰值充电的发作。再次将AC输入归零,然后接通,渐渐将输入增大至高频开关电源的最小作业电压。从主输出开端逐个渐渐增大每个输出的负载,以到达该输出的额外满载点,直到高频开关电源的一切负载都供给指定的满输出功率中止。
此刻,您的高频开关电源供给最大接连输出功率。一切输出都应坚持稳压,并且处于指定的容差限值规模内。不然,请中止测验,参照PI大学毛病诊断课程中的内容来排查问题。如果高频开关电源已进入主动重发动形式,请拜见PI大学课程“修正无法供给满功率的反激式高频开关电源”。
第10章:查验功率
当高频开关电源在最大接连负载和低压状况下运行时,对高频开关电源履行快速功率丈量,并将丈量结果与PI Expert指定的目标值进行比较。如果发现丈量的功率低于预期的5%以上,请参照PI大学毛病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形式,然后缓慢添加触发电平,直至示波器在MOSFET电压呈现最高峰值时偶然触发。
运用示波器的光标丈量MOSFET在此峰值时的最大电压。现在,缓慢将AC输入电压添加到最大输入电压,添加50 V后暂停,以添加触发电平,然后丈量最高峰值。
一旦所测得的峰值漏极电压超越650 VDC,则应中止添加输入电压,以避免该电压超越MOSFET的最大额外电压。如果在被逼中止前没有到达最大输入电压,则阐明您的箝位电路可能规划有误,或许变压器漏感超越了预期值。请先处理这一问题,然后再持续下一操作。
第12章:欠压锁存
接下来,将各输出负载降至最低,然后堵截AC输入。如果您的规划中包含UV检测电路,则请从头衔接该电路。此外,应将一个万用表衔接到输入大容量电容两头,设置为丈量DC电压。将AC输入归零并接通,然后缓慢添加电压,直至DC总线电压到达UV阈值的下限。
高频开关电源的发动电压应介于依据Power Integrations器材及您的UV电阻的容差所界说的两个限值之间。并且,高频开关电源在电压到达您规划的最小AC输入电压之前应能发动。
在我们的规划典范中,高频开关电源应在DC总线上的78 V到105 VDC电压规模内发动,这由电阻和器材UV电流阈值的容差所界说。
第13章:峰值漏极电压(过载)
高频开关电源发动后,将AC电压添加到最小输入电压,然后使高频开关电源上的负载到达满载。在主输出上,开端缓慢添加负载,一起监测示波器上的峰值漏极电压。在开端使高频开关电源输出过载时,承认该峰值电压一直不会超越650 V峰值。如果超越峰值,请中止测验,排查箝位电路上的问题。
一旦到达最大过载功率,输出将会失调。这将触发Power Integrations器材并进入主动重发动,或许进行锁存关断。
主动重发动是对电压失调最常见的一种呼应方法,但详细呼应状况因器材系列和电路装备而异。详细信息请拜见产品数据手册。
记载高频开关电源在刚进入保护形式之前示波器上所显现的峰值漏极电压值。如果该电压大于650 VDC,您需求调整箝位电路。
高频开关电源过载会给一切元件带来压力,且会添加高频开关电源的损耗。这将导致元件温度敏捷升高,因而如果呈现过热的状况,应当即中止测验,让高频开关电源渐渐冷却下来。
第14章:峰值漏极电压(发动)
进行下一个测验时,需求将高频开关电源负载减小至满载。如果高频开关电源已进入锁存关断形式,可能需求在高频开关电源回来正常操作形式之前堵截并从头接通AC输入。堵截沟通高频开关电源供应器,然后等待DC总线上的电压已降至约10 V。如果规划中选用了大容量电容,可能需求花费几分钟的时刻。运用电容放电板能够缩短这一时刻。
接下来,您将查验发动时的漏极电压和电流波形。将输入电压增至最大值,保证高频开关电源处于满载状况。将示波器设置为在漏极电压波形的上升沿正常触发。缓慢添加触发电平,直至找到可在正常作业形式下进行触发的最高电平。然后堵截沟通输入,从头装上高频开关电源。
在添加触发电平的过程中持续这一操作,直至在装上高频开关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越650 V 峰值,则需求从头规划箝位。
第15章:漏极电流波形(发动)
触发示波器上的漏极电流波形时重复上述操作程序,丈量在装上高频开关电源时看到的最高电流。查验电流波形的形状,看是否存在变压器饱满的痕迹。
发动过程中,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。右侧电流脉冲表明存在变压器饱满的痕迹。请注意该脉冲是怎么以相似指数的形式上升到更高端的。这是变压器磁芯到达饱满且不能再储存能量的临界点。此刻,初级电流将快速增大,可能会损坏Power Integrations器材或其他初级侧元件。
变压器饱满的首要原因是有过多的磁通在磁芯中累积。如果在您的规划中发现饱满现象,首要需求与变压器供货商核实,看变压器是否严厉依照PI Expert规划所指定的参数值进行制造。此外,还应保证变压器的初级电感值处于规划所容许的容差限值规模内。(请拜见第16章,了解不运用LCR丈量仪进行此丈量的详细办法。)如果器材限流点设定过高,也会形成变压器饱满。请查阅所用器材的数据手册,了解查验限流点设定方法的信息。
如果变压器结构和限流点设定方法正确,您需求从头规划变压器,以减小磁芯的磁通密度。您能够经过为变压器添加额外线圈或减小初级电感LP所容许的出产容差来完成这一点。在PI Expert规划中添加线圈数时,可添加次级绕组圈数NS,软件将会按份额相应添加初级绕组圈数NP。您也能够经过调理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,那么下降限流点也会形成磁通量增大。在特别状况下,您也能需求经过增大磁芯尺度来减小磁通密度。您需求不断调整规划,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规划应一直能把磁通密度约束到可接受的水平。在手动调整规划时,如果所作的某个修改可使磁通密度突然增大,PI Expert将会向您宣布正告音讯,提示这一危险状况。
变压器磁芯过热时,也会形成变压器饱满。发现饱满问题后,应查验变压器是否在适当的温度限值内进行作业。必要时,请从头规划变压器,以下降磁芯和绕组损耗,并下降其作业温度。
在发动测验期间,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缺乏形成的。
第16章: 变压器初级电感量
现在堵截AC输入,将高压示波器探针衔接到输入大容量电容的端子。然后,向高频开关电源施加最小的AC输入电压,将输出负载增至满载。设定示波器,将高压探头衔接在输入大容量电解电容两头,然后丈量到DC总线电压,一起丈量漏极开关电流波形。
运用示波器丈量大部分线性斜升过程中的漏极电流的di/dt比值。这部分一般处于流限的25%到75%之间。此外,还应在用来丈量电流改变的时刻距离内,一起丈量均匀DC总线电压。运用这两个丈量结果,您能够依据电感的根本联系式核算出变压器初级电感量的近似值:V = L Δi/Δt
MOSFET导通后,变压器初级侧的电压将近似等于均匀DC总线电压。电感中的电流等于漏感电流。调整该公式后,我们能够核算出L值:L = V Δt/Δi
将核算得出的值与PI Expert中的指定值进行比较。如果核算值超出给定的容差规模,则需联络变压器制造商以处理这一问题。
第17章:初始电流尖峰
接下来,检查在MOSFET导通后随即呈现的高初始电流。堵截沟通高频开关电源供应器,将高压示波器探针从头衔接到MOSFET两头,丈量漏极开关电压。然后,施加指定的最大AC输入电压,并将高频开关电源负载增至满载。设定示波器,以便一起显现MOSFET电压和电流,并在漏极电压的上升沿触发。调宽时基规模,以便监测一个完好的开关周期。
前沿消隐功用,在MOSFET导通后立行将流限传感器禁止一段时刻。这样可避免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,仍是会触发器材的初始流限,并使传输到输出的功率受到约束。
PI前沿消隐功用
在指定的最低输入电压下重复此丈量。如果高频开关电源规划为在低压下以接连导通形式作业,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
如果您在规划中选用了偏置绕组,则需关断AC输入并衔接一个示波器电压探针,然后进行设置,丈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反面,用作测验点。然后,施加最小的AC输入电压,并移除高频开关电源输出上的一切负载。
经过示波器丈量并记载偏置绕组电容在整个周期内的最低电压。如果丈量的最低偏置绕组电压低于8 V,则可导致您的高频开关电源呈现稳压问题。要处理此问题,您需求添加偏置绕组的圈数以增大电压。我们主张您在从头检测原型规划的电压之前,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,然后加大规划的空载功耗。主张空载时的最低偏置绕组电压应大于8 V,但小于约9 V。在有些规划中,增大偏置绕组滤波电容的值可供给满意的保持时刻,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。首要,关断AC输入,并断开电路板上的一切示波器探针。然后,在待丈量的输出二极管上衔接一个低压探针,如下图所示,将接地线夹和探针尖别离衔接到阴极和阳极。别的,我们还刺进了一个电流探针,与输出二极管串联,用于检查二极管电流。不过,您在丈量时并不一定要这样做。
施加最大的AC输入电压,并将高频开关电源负载增至满载。调查示波器上显现的DC电压时,您将发现:在二极管导通时二极管上的电压挨近零值,二极管关断时电压敏捷回复为负值。该负电压即为逆向电压。在任何丈量点丈量二极管呈现的最高负电压,然后将该丈量值与二极管的PIV额外值进行比较。如果丈量值等于或大于二极管额外值,那么该二极管将在没有到达预期的元件寿数之前就会失效。
为进步元件的现场可靠性,Power Integrations主张在PIV丈量值与二极管额外值之间保持20%的裕量。如果您的二极管不契合这些要求,请换用PIV额外值更大的二极管,或许对二极管缓冲电路进行优化。
第20章:满载功率
接下来,丈量并记载高频开关电源在最低和最高AC输入电压下的满载功率。如果满载功率比PI Expert猜测值低出5%或更多,则需求处理此问题。
第21章:元件温度
丈量规划中要害元件的温度,其间包含二极管、电解电容、共模扼流圈、变压器磁芯、绕组以及Power Integrations器材。履行这些丈量应满意以下条件:高频开关电源满载,且高频开关电源已在室温下作业大约20分钟。别离丈量最小和最大AC输入电压下的温度。不过,温度一般在低压时最高。
不断增大所测室温的温度到指定的最高环境温度,以挨近最差条件的环境温度。将这些估量温度与元件数据手册中的最大作业温度进行比较。在进行比较时,保证将您规划中的任何降额要求纳入考量。
您能够下降元件额外温度,以满意特定安全要求或延伸元件运用寿数。例如,电解电容的答应作业温度与元件的预期运用寿数成函数联系。一个额外温度105℃、额外运用寿数2,000小时的电容,在70℃下接连作业时,其预期运用寿数可到达约20,000小时。为便于参阅,这里供给了部分首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,请当即关断AC输入并处理这一问题。
第22章:输出电压纹波
现在,丈量输出电压纹波,断定它处在规划指定的限值规模内。如果超出指定规模,或发现输出有显着的振动,请参照PI University的毛病诊断课程处理这一问题。
第23章:以终究负载发动
终究,关断AC输入,将电子负载从高频开关电源输出移除,然后衔接实践负载。将一个万用表衔接到高频开关电源的输出端,监测输出电压。将沟通高频开关电源供应器设定为高频开关电源的最大AC电压,并装上高频开关电源。查验高频开关电源能否在为实践负载供电的状况下发动并到达稳压。
将AC电压设定为最小限值,重复此测验。如果高频开关电源在衔接实践负载的状况下无法发动,您需求观看PI大学毛病诊断课程“修正输出无法到达稳压的反激式高频开关电源”排查问题。
第24章:为终究负载供电
如果您的负载具有不同的作业形式,请必须循环测验一切形式,保证高频开关电源永久不会进入主动重发动形式。如果进入的话,阐明您的负载所吸收的功率大于高频开关电源的额外输出功率。此刻,您需求仔细剖析负载特性,然后从头规划高频开关电源。来自高频开关电源网

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