反激式开关电源设计与测试步骤(精)

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PowerIntegrations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PowerIntegrations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，PowerIntegrations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，500mA5V，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。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/ΔtMOSFET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