单端反激设计过程

课程讲义初次设计反激式电源简介本课程讲义用于PI大学视频课程—“初次设计反激式电源”。本课程将向您讲解安全设计和测试电源原型应遵循的具体步骤，确保您的电源能够正常工作。课前准备在开始本课程前，您应知道本课中用到的很多重要技能和技巧在其他PI大学课程中有授，详情请参见课程先修要求。本课程中的测试部分将会持续一到两个小时，因此请做好准备并留出足够的时间。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。根据布局指南设计的印刷电路板实验用面包板无法与开关电源配合使用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6.一个电子负载PIU-109(Rev.2/10)还有您的实际负载PI大学课程讲义初次设计反激式电源第2页PIU-109(Rev.2/10)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，500mA5V，500mA正12V，250mA负12V，30mA有关该电路板的详细设计信息及测试结果，请参阅PowerIntegrations网站。为达到本课程的授课目的，1RDR-115：使用TNY376PN设计的7.5W连续输出、峰值为13W的DVD/机顶盒电源的参考设计报告RD-115中的输出PI大学课程讲义初次设计反激式电源第3页PIU-109(Rev.2/10)我们将侧重介绍相关程序和步骤，而不是设计过程中获取的实际读数。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。要欠压电阻PI大学课程讲义初次设计反激式电源第4页PIU-109(Rev.2/10)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昀小负载。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昀小负载，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。有关瓦特表和万用表使用方法的详细说明，请参见PI大学课程“电源效率测量方法”。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10VAC。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。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15mW。如果您使用的是两个万用表，稳态AC电流读数应小于10mA。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”。监测AC输入电压、输出电压及DC总线电压使用瓦特表测量输入功率PI大学课程讲义初次设计反激式电源第5页PIU-109(Rev.2/10)第6章：启动和稳压如果输入功率小于15mW，则可继续将电压增大到50VAC。观测DC输出电压，如果输出处于稳压状态、自动重启动状态，或者输出电压表上的电压读数大于0.1V，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昀小输入电压。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PowerIntegrations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。电流环的正确放置将电压探针连接到MOSFET漏极50VAC下正确工作的三种模式PI大学课程讲义初次设计反激式电源第6页PIU-109(Rev.2/10)将一个1000V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132kHz设计，可将时基设置为每格50µs。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。用精度昀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昀小指定输入电压。慢慢将电源的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，拆下早前安装的昀小负载电阻。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，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昀小工作电压。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。配置示波器PI大学课程讲义初次设计反激式电源第7页PIU-109(Rev.2/10)将所有电子负载设置为吸收少量电流所有输出都必须保持在指定的稳压限值范围内此时，您的电源提供昀大连续输出功率。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：检验效率当电源在昀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PIExpert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电压出现昀高峰值时偶尔触发。利用示波器的光标测量MOSFET在此峰值时的昀大电压。现在，缓慢将AC输入电压增加到昀大输入电压，增加50V后暂停，以增加触发电平，然后测量昀高峰值。一旦所测得的峰值漏极电压超过650VDC，则应停止增加输入电压，以防止该电压超过MOSFET的昀大额定电压。如果在被迫停止前尚未达到昀大输入电压，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。PI大学课程讲义初次设计反激式电源第8页PIU-109(Rev.2/10)第12章：欠压锁存接下来，将各输出负载降至昀低，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PowerIntegrations器件及您的UV电阻的容差所定义的两个限值之间。而且，电源在电压达到您设计的昀小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78V到105VDC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