反激式开关电源设计与测试步骤.docx
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1、反激式开关电源设计与测试步骤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Power Integrations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
2、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Power Integrations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,Power Integrations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Power Int
3、egrations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7.5 W的连续输出功率,峰值功率为13 W。连续输出功率分为四路输出,它们包括: 3.3 V,500 mA 5 V,500 mA 正12 V,250 mA 负12 V,30 mA 第3章:目测 设计之前,应先目测检查电路板,
4、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Power Integrations器件的欠压锁存功能。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:
5、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5 mA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
6、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。 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10 VAC。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。
7、 如果您使用的是瓦特表,稳态AC输入功率应小于15 mW。如果您使用的是两个万用表,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”。 第6章:启动和稳压 如果输入功率小于15 mW,则可继续将电压增大到50 VAC。观测DC输出电压,如果输出处于稳压状态、自动重启动状态,或者输出电压表上的电压读数大于0.1 V,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
8、至指定的最小输入电压。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Power Integrations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。 将一个1000 V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
9、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132 kHz设计,可将时基设置为每格50 s。 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。用精度最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最小指定输入电压。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
10、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,拆下早前安装的最小负载电阻。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
11、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最小工作电压。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。 此时,您的电源提供最大连续输出功率。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 当电源在最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PI Expert指定的目标值进行比较。如果发现测量的效率低于
12、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 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电压出现最高峰值时偶尔触发。 利用示波器的光标测量MOSFET在此峰值时的最大电压。现在,缓慢将AC输入电压增加到最大输入电压,增加50 V后暂停,以增加触发电平,然后测量最高峰值。 一旦所测得的峰值漏极电压超过650 VDC,则应停止增加输入电压,以防止该电压超过MOSFET的最大额定电压。如果在被迫停止前尚未达到最大输入电压,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
13、值。请先解决这一问题,然后再继续下一操作。 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Power Integrations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最小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78 V到105 VDC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1
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