Flyback开关电源工作原理及测试要点

PreparedBy：伍辉平Date：2012-12-20Flyback开关电源工作原理及测试要点1，什么是Flyback开关电源2，Flyback工作原理3，Flyback电路分析和测试要点4，Flyback电路设计目录常用的开关电源拓扑结构降压式(Buck)变换器升压式(Boost)变换器升降压式(Buck-Boost)变换器正激式(Forward)变换器反激式(Flyback)变换器半桥式(Half-bridgeconverter)全桥式(Full-bridgeconverter)推挽式(Push-pullconverter)Cuk变换器Zeta变换器Sepic变换器开关电源拓扑结构什么是Flyback？反激式开关电源：输出端在变压器原边绕组断开电源时获得能量，英文名称叫FlybackTransformerOUTPUTPWMTransformerBLOCKDIAGRAMAC(85V-265V)12VDC(90V-375V)EMIVCCBRIDGEFEDBACKMOSFETfilterFILTERNLFlyback电路特点优点：1.电路简单，能高效提供多路直流输出，因此适合多组输出要求；2.转换效率高，损失小；3.变压器匝数比值较小；4.输入电压在很大的范围内波动时，仍可有较稳定的输出，目前已可实现交流输入在85~265V间，无需切换而达到稳定输出的要求。缺点：1.输出电压中存在较大的纹波，负载调整精度不高，因此输出功率受到限制，通常应用于150W以下；2.转换变压器在电流连续(CCM)模式下工作时，有较大的直流分量，易导致磁芯饱和，所以必须在磁路中加入气隙，从而造成变压器体积变大。3.变压器有直流电流成份，且同时会工作于CCM/DCM两种模式，故变压器在设计时较困难，反复调整次数较顺向式多，迭代过程较复杂。Flyback工作原理单端反激式变换器a）VT导通期间maxmin)(PPonPinonPIItLUtib）VT关断期间)()(2max22onoSttLUITi)(20max2onPPttLUINN)()(20min2onPonPinPttLUItLUNNFlyback工作原理1.磁通连续的工作状况max22:iULtIFooff)()(20min22onPonPinPttLUItLUNNinUUUTtDnUDDUttNNUinSontinttinoffonP00201)11(102tintintinPinceDUDUDUUNNUVPKoPPKITPLILI2min22121]21[22minPoffLSoninPLtnRTtUIFlyback工作原理2.磁通临界工作状况max22:iULtIFooff)()(2022ononPinPttLUtLUNNinUUUTtDnUDDUttNNUinSontinttinoffonP00201)11(102tintintinPinceDUDUDUUNNUVntTITnDIUDPLtUIonSStintPthoninPK)(2)1(22000Flyback工作原理3.磁通不连续的工作状况max22:iULtIFooff)()(2022ononPinPttLUtLUNNi02UNNUVPinceintPthoninPKUDPLtUI02onontPSoninpinStPinSLTtUtdtLUTdtiUTP022201211ttSondtiUTP2001PSoninttononPPSLTtUttdttLUINNTUon2)()]([22)(020max20PSLoninLTRtUU20Flyback电路分析和测试要点1.输入部分输入部分主要由EMI元件构成。D8/D10为MOV，主要作用是吸收差模Surge等瞬间高电压脉冲干扰信号；NTC1为负温度系数热敏电阻，降低Inrush电流对桥堆的冲击；C1为差模滤波X2电容（脉冲电压峰值≤2.5kV）；R1/R2为安规泄放电阻，需满足RC1S安规要求；LG1为共模滤波电感；F1为保险管，熔断保护供电线路。输入部分测试主要考量Inrush对F1/NTC1/BD的冲击，热熔值需满足规格及裕量要求。Flyback电路分析和测试要点2.整流滤波由BD和Bulk电容组成，通过全波整流和滤波，把输入交流电转换成直流电（Vbulk=1.414*Vin）。测试主要考量桥堆平均整流电流Ifav、反向电压应力Vr和结温Tj；Bulk电容电压应力和纹波电流。测试条件包含开关机瞬态，AC打火，Surge测试，以及输入过电压极限测试。Flyback电路分析和测试要点3.功率变换电路主要由开关管Q1，反激变压器T1，RCD尖峰吸收回路R13/D6/R11/C7组成。Q1导通期间，T1储能，在Q1截止过程中，T1储存的能量通过耦合释放到二次侧，通过整流滤波转换成直流输出。RCD电路主要用于吸收Q1关断过程中高频变压器漏感的能量引起的尖峰电压和次级线圈反射电压的叠加，泄放到Bulk电容。C2为共模滤波Y2电容（脉冲耐压5KV）；R10为驱动电阻，用于调节开关损耗；R12为驱动下拉电阻，抑制驱动干扰；R15/R16/R18为OCP检测电阻；R14/C8组成RC滤波网络，防止OCP误动作。关键测试点：Q1之Vds/Vgs/Id/Tj，D6反向电压应力Vr和Tj，C7温升Tc和纹波电流。测试条件：开关机瞬态，AC打火，Surge测试，输出OLP，输出短路，DynamicLoad。Flyback电路分析和测试要点4.输出整流滤波电路由输出整流肖特基二极管和滤波电容/电感组成。R17/C14为RC滤波线路，用于在D7/D9截止工作时平滑尖峰信号，改善EMI和D7/D9反向电压应力作用；R24为假负载，用于改善间歇振荡现象；LG2为共模滤波电感。关键测试点：D7/D9正向导通电流Ifav、反向电压应力Vr、结温Tj，C9/C10纹波电流和Tc。测试条件：开关机瞬态，AC打火，Surge测试，输出OLP，输出短路，DynamicLoad。Flyback电路分析和测试要点5.反馈回路反馈电路由AZ431和光耦构成。输出电压通过集成稳压器AZ431和光电耦合器反馈到PWM控制IC的FB脚，调节R1、R2的分压比可设定和调节输出电压，达到较高的稳压精度。Uo=2.5V*(R22+R23)/R23光耦传输比：CTR=IC/IF×100%H(s)=-(R21+1/C11s)/R23R19/R20分别为上拉/下拉偏置电阻；R21/C11组成极零点补偿网络，通过调节R值或C值可以调节频带增益。一般增益要求-14dB，相位要求45deg。Flyback电路分析和测试要点6.PWM控制电路PWM芯片为On-brightOB2263R6/R7是启动电阻，C5是储能电容，C4是高频滤波电容，D5是整流二极管，R9是限流电阻。AC电源接入时，Vbulk通过R6/R7对C5充电，当VccUVLO(off):14V时，IC启动工作，电源输出直流电信号，Vcc通过T1绕组提供。Vcc振荡频率由R8决定，一般取100KohmFosc=6500/RI(Kohm)（KHz）导通占空比由sense和FB共同确定OLP：VfbVth_pl:3.7VOCP：VsenseVth_oc:0.75VOVP：VfbVth_0d:0.75VUVP：VccUVLO(on):8.8VFlyback电路分析和测试要点7.PWM控制IC/OB2263框图Flyback电路分析和测试要点Flyback电路设计EMI整流滤波变压器次级整流滤波开关器件PWM控制IC隔离器件采样反馈输出高压区域低压区域隔离反激电源的结构框图Flyback电路设计Flyback电路设计1.保险管的选取作用：安全防护。在电源出现异常时，为了保护核心器件不受到损坏。技术参数：额定电压V、额定电流I、熔断时间I^2RT。分类：快断、慢断、常规AIFuseAAUPIWWPFIUPFPPrmsinrmsinOOOin74.0237.08525.3125.316.08.025.112maxmin'max'PF取0.6（不带功率因数校正的功率因数估值）Pin’为输入视在功率，Po输出功率，η效率（设计的评估值）Uinmin最小的输入电压2为经验值，在实际应用中，保险管的取值范围是理论值的1.5~3倍。Flyback电路设计2.压敏电阻MOV的选取压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。主要作用：过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等。主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。压敏电阻的响应时间为ns级，比空气放电管快，比TVS管（瞬间抑制二极管）稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量，但不能承受毫安级以上的持续电流，在用作过压保护时必须考虑到这一点。压敏电阻的选用，一般选择标称压敏电压V1mA和通流容量两个参数。Flyback电路设计2.压敏电阻MOV的选取a为电路电压波动系数，一般取值1.2.Vrms为交流输入电压有效值。b为压敏电阻误差，一般取值0.85.C为元件的老化系数，一般取值0.9.√2为交流状态下要考虑峰峰值。V1mA为压敏电阻电压实际取值近似值Flyback电路设计3.NTC热敏电阻的选取NTC是以氧化锰等为主要原料制造的精细半导体电子陶瓷元件。电阻值随温度的变化呈现非线性变化，负温度系数NTC电阻值随温度升高而降低。作用：抑制开机时产生的Inrush。Rt是热敏电阻在T1温度下的阻值；Rn是热敏电阻在Tn常温下的标称阻值（本例选取NTC为5±20%）；B是材质参数；(常用范围2000K~6000K，本例选取NTC材质B=2600)exp是以自然数e为底的指数（e=2.71828）；这里T1和Tn指的是K度即开尔文温度，K度=273.15(绝对温度)+摄氏度；AAESRRtUITTBRRCLininrushnnt7553752)]11(exp[)(1maxFlyback电路设计4.X电容和Y电容的选取根据IEC60384-14,安规电容器分为X电容及Y电容：1.X电容是指跨与L-N之间的电容器,2.Y电容是指跨与L-G/N-G之间的电容器.X电容主要用来抑制差模干扰安全等级峰值脉冲电压等级（IEC664）X12.5kV≤4.0kVⅢX2≤2.5kVⅡX3≤1.2kV——Y电容主要用于抑制共模干扰安全等级额定电压耐压等级Y1≥250V8kVY2≥150V≤250V5kVY3≥150V≤250V≥2.5KV≤5KVY4150V2.5kVY电容的存在使得开关电源有一项漏电流的电性指标。工作在亚热带的机器，要求对地漏电电流不能超过0.7mA；工作在温带机器，要求对地漏电电流不能超过0.35mA。因此，Y电容的总容量一般都不能超过4700PF（472）Flyback电路设计5.共模电感设计这两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同(绕制方向向反)。mHHCfLo8.15101000)10402(1)2(1122322已知条件EMI等級:FCCClassBC2=1000pFEMI测试频率：传导150KHz~30MHz，辐射30MHz~1GHz。fo截止频率：实际的滤波器无法达到理想滤波器那样陡峭的阻抗曲线，通常可将设定在50KHz左右。在此，假设Fo=40KHz。Flyback电路设计6.整流桥的选取输入电压要求85～265V，整流滤波后最大375V，所以二极管承受的反向电压压降大于2*375V=750V。minmin2