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第一次规划和测验反激式电源

没有经过测试的产品往往会带给人“意外的惊喜”,而对于电源设计师而言,第一次给新设计上电时往往会有同样的顾虑。在很多情况下,设计师总会发现自己无意间损坏了元件或是发现了隐藏的设计缺陷。下文以详细的步骤介

没有经过测验的产品往往会带给人“意外的惊喜”,而关于电源规划师而言,第一次给新规划上电时往往会有相同的顾忌。在许多状况下,规划师总会发现自己无意间损坏了元件或是发现了躲藏的规划缺点。下文以具体的进程介绍了安全履行此项重要使命和保证电源功用正常的操作进程。此外,还供给了一些额外信息的有用链接,可协助您扫除在规划中遇到的特定问题。

在履行本文所述的测验之前,您需求预备一个沟通电源供应器及一个自耦变压器、一个瓦特表、至少四个万用表(其间两个应具有高精度电流量程)、一个带有高压探针的示波器、一个电流探针、一个电子负载和您的实践负载。测验时刻将会持续一到两个小时。终究,为防备起见,假如您的规划所选用的印刷电路板契合您的器材制作商所规则的布局攻略,咱们主张您只履行这些测验。运用试验用面包板或原始样板会将不合需求的寄生元件引进电路,这样会影响电源的正常作业。此外,许多试验用面包板都无法承载开关电源所发生的电流水平,并且在这些电路板上十分难以操控爬电距离和电气空隙。

测验低电压作业

开端测验时,应先简略目测检查电路板,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。

接下来检查电源在低压输入下的共组状况。要完结这项使命,您有必要禁用器材的欠压承认功用(假如已启用的话)。一般状况下,需求将欠压(UV)电阻从电路板上卸除。鄙人面的示例电路中,欠压(UV)电阻衔接在DC总线和Power Integrations的TOPSwitch-HX器材的M引脚之间,该器材是一款集成式高功率电源转化IC,它集成了一个700 V功率MOSFET,可用于反激式电源。在本例中,有必要卸除电路图中杰出显现的电阻,并使M引脚与源极短路。假如您运用的是其他器材,一般可参看器材的数据手册来承认应运用的正确元件和禁用UV功用的办法。
图1 欠压(UV)电阻


材料来历:Power Integrations
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输入电压的进程中,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。

假如您的规划选用多路输出,可将负载电阻衔接到主稳压输出以外的任何输出。保证负载电阻的巨细应能够吸收为每个输出指定的最小负载。这样可防止这些输出电压因峰值充电而超出标准规模。假如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。进行检查以保证AC输入正确衔接到电源的输入端子,而不是衔接到DC输出。AC输入衔接过错可严峻损坏电源。
本测验还要求丈量AC输入功率。在AC输入通道中设置一个瓦特表,对其进行装备以丈量操作手册中列出的AC电压、电流及输入功率。假如没有瓦特表可用,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电源输入端子,丈量AC电压。
然后,保证自耦变压器或沟通电源供应器设置为零,然后将其敞开。将输入电压渐渐提高到10 VAC左右。瓦特表或输入万用表上的AC输入电压应有所升高。假如没有升高,应承认您的沟通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电压的进程中不断增大。
假如您运用的是瓦特表,稳态AC输入功率应小于15 mW。假如您运用的是两个万用表,稳态AC电流读数应小于10 mA。输入功率或AC电流增大标明电路板发生毛病。假如状况事实,顺次封闭沟通电源供应器、断开AC输入,然后参看www.powerint.com/en/pi-university/courses/fixing-flyback-supply-with-no-output中的信息以协助承认和处理问题。

发动和稳压
假如输入功率小于15 mW,则持续将电压增大到50 VAC。检查DC输出电压。假如输出处于稳压状况、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。假如您的规划仍无法发动或到达稳压,请拜见链接
www.powerint.com/en/pi-university/courses/fixing-flyback-supply-where-output-fails-reach-regulation。完结本测验后,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。
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。保证此断开点介于电源转化器件漏极引脚与箝位电路中的任何元件之间。这样可保证探针仅探测到MOSFET电流。
此刻,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。将示波器装备为以恰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尽或许多的开关周期。
将一个电子负载衔接到电源的主输出,承认负载设置为零。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。尝试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,承认自耦变压器或沟通电源供应器设置为零。然后,接通AC输入,渐渐将电压增大至电源的最小指定输入电压。渐渐将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。持续将负载提升至满载,进行检查以保证输出电压坚持稳定并处于稳压限值规模内。

检查满载作业
您的规划是否选用多路输出?假如是,请关断AC输入,拆下早前装置的最小负载电阻。将每个电阻都别离替换为电子负载,直到您电源的一切输出都加有负载。假如没有电子负载可用,请参看电力电子学教科书或其他资源寻觅负载选项,然后承认怎么代替它们。
衔接两个万用表来监测每个输出的输出电压和电流。在咱们选用四路输出的示例规划中,咱们需求用到八个万用表,至少四个应具有高精度电流量程,以便进行快速丈量。假如手上的万用表数量有限,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,防止峰值充电的发生。将AC输入归零,然后接通,渐渐将输入增大至电源的最小作业电压。从主输出开端逐一渐渐增大每个输出的负载,以到达该输出的额外满载点。不断重复这一操作,直到一切输出都供给指定的满输出功率中止。假如一切输出都坚持稳压,并且处于指定的容差限值规模内,则标明您的电源正在供给最大接连输出功率。假如状况不是如此,则有必要中止测验,开端排查问题。Power Integrations可为您供给各种毛病扫除战略,请见www.powerint.com/pi-university。假如您的电源现已进入主动重发动形式,可运用这儿介绍的程序来排查问题:www.powerint.com/en/pi-univerity/courses/fixing-flyback-supply-does-not-deliver-full-power。
此刻,依据功用方针来丈量电源的功率也很有用。有关履行此测验的协助信息,请拜见
www.powerint.com/en/pi-university/courses/techniques-measuring-efficiency。假如电源功率的丈量值低于预期值的5%以上,您需求先排查此问题,然后再持续下面的进程。
丈量峰值漏极电压
在初始化进程中的下一步是丈量峰值漏极电压。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,然后缓慢增加触发电平,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。然后,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,然后丈量最高峰值。
假如所测得的峰值漏极电压超越650 VDC,则应中止增加输入电压,以防止该电压超越MOSFET的最大额外电压。假如您在到达最大输入电压前被逼中止,则阐明您的箝位电路或许规划有误,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。
要丈量欠压(UV)承认作业状况,需将各输出负载降至最低,然后堵截AC输入。假如您的规划中包含UV检测电路,则请从头衔接该电路。一起,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,然后缓慢增加电压,直至DC总线电压到达UV阈值的下限。
一般状况下,电源的发动电压应介于依据操控器UV电阻的容差所设定的两个限值之间。并且,电源在电压到达您规划的最小AC输入电压之前应能发动。
电源发动后,将AC电压增加到最小输入电压,然后使电源上的负载到达满载。开端在主输出上缓慢增加负载,一起监测示波器上的峰值漏极电压。在开端使电源输出过载时,保证该峰值电压一直不会超越650 V峰值。假如超越峰值,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。这将触发器材并进入主动重发动,或许进行锁存关断。
在此进程中,记载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。假如该值大于650 V,您需求调整箝位电路。请注意,规划呈现过载会给一切元件带来应力,且会增加电源的热耗散。假如发现过热预兆,应当即中止测验,让电源渐渐冷却下来。终究,在最大AC输入电压下重复此测验。
进行下一个测验时,需求将电源负载减小至满载。假如电源已进入锁存关断形式,或许需求在电源回来正常操作形式之前堵截并从头接通AC输入。堵截沟通电源供应器,然后等候DC总线上的电压已降至约10 V。假如规划中选用了较大的大容量电容,或许需求花费几分钟的时刻。
接下来,需求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,并缓慢增加触发电平,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,从头装上电源。
在增加触发电平的进程中持续这一操作,直至在装上电源的进程中抓取到最高峰值电压。假如测得的最高峰值电压超越650 V,则需求从头规划箝位。
重复上述操作程序,丈量在装上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。下面有两个波形:一个显现的是正常电流脉冲(左边),它在导通到关断的进程中呈线性斜升;另一个电流脉冲(右侧)标明存在变压器饱满的痕迹。请注意,右侧的波形以指数的形式上升到更高端。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,或许会损坏电源转化器材或其他初级侧元件。

图2. 检查是否有变压器饱满信号


材料来历:Power Integrations
变压器饱满的首要原因是有过多的磁通在磁芯中累积。假如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,看变压器是否依照所指定的参数值进行制作。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。假如器材限流点设定过高,也会形成变压器饱满。请查阅器材的数据手册,了解查验限流点设定办法的信息。
假如变压器结构和限流点设定办法正确,您或许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增加额外线圈或减小初级电感所容许的出产容差来完成这一点。有些规划东西能够简化此进程。例如,假如您运用的是Power Integrations器材,该公司的PI Expert规划东西可在您增加次级绕组圈数的一起主动按份额相应增加初级绕组圈数。您也能够经过调理KP值来减小磁通密度。假如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。在有些状况下,您也能需求经过增大磁芯尺度来减小磁通密度。在这种状况下,Power Integrations的PI Expert规划软件还可用来主动承认更优化的处理方案。
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恰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,并下降变压器的作业温度。

核算变压器初级电感量
接下来,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,将高压探针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进程中的漏极电流的di/dt比值。这部分一般处于流限值的25%到75%之间。一起,应同一时刻距离内丈量均匀DC总线电压。运用这两个丈量成果,您能够依据电感的根本关系式核算出变压器初级电感量的近似值:V = L ∆i/∆t。

图3. 丈量变压器初级电感量

材料来历:Power Integrations
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。将此公式改写为:L= V ∆t/∆i。核算L值,将其与您规划中指定的值进行比较。假如您运用的是Power Integrations器材,能够运用PI Expert东西快速承认该值。假如该值超出器材的界说容差,请与变压器制作商联络。
接下来,检查在MOSFET导通后随即呈现的高初始电流。堵截沟通电源供应器,将高压示波器探针从头衔接到MOSFET两头,丈量漏极开关电压。施加最大的指定AC输入电压,并将电源负载增至满载。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。
在您检查漏极电流波形的导通沿时,能够看到一个电流尖峰。该尖峰由寄生电容经过MOSFET快速放电时发生,它常见于开关电源。
有些器材(如Power Integrations器材)具有一项这样的功用:可在MOSFET导通后将流限传感器制止一段时刻。这种前沿消隐功用可防止初始电流尖峰触发流限,使其提前完毕电流脉冲。不过,假如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限制。

图4. 丈量输出二极管的PIV

材料来历:Power Integrations
请参看相关数据手册,承认您的规划中所选用器材的最小前沿消隐时刻。然后,丈量前沿消隐时刻完毕后MOSFET上的电流巨细。将丈量值与器材数据手册中的初始流限值进行比较。假如MOSFET的丈量值大于初始流限值,则或许会导致规划呈现功率输出问题。
在指定的最低输入电压下重复此丈量。假如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。
偏置绕组电压
关于选用偏置绕组的规划,需求关断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,并移除电源输出上的一切负载。
运用示波器丈量偏置绕组电容在整个周期内的最低电压。一般,咱们主张最低偏置绕组电压应降至 8V与9V之间。假如最低偏置绕组电压<8 V,则可导致您的电源呈现稳压问题。您需求增加偏置绕组的圈数以增大电压。
为防止电压增加过多,咱们主张每次只增加一个线圈,然后再从头检测规划中的电压。增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。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。
接下来,检测输出二极管的峰值反向电压(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。请注意,尽管没有必要,但电路图中还会显现一个电流探针与输出二极管串联,用于检查二极管电流。

图5. 丈量输出二极管的PIV

材料来历:Power Integrations
电路树立后,施加最大AC输入电压,并将电源负载增至满载。示波器上应显现以下成果:二极管导通时其上的电压挨近零值,二极管关断时电压敏捷康复为负值。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。假如丈量值大于或等于二极管额外值,那么该二极管将会在到达其预期寿数之前失效。为保证体系可靠性,咱们主张在PIV丈量值与二极管额外值之间保持20%的裕量。假如您的二极管不契合这些要求,您或许需求换用PIV额外值更大的二极管,或许对二极管缓冲电路进行优化。假如您选用多路输出规划,请必须重复该测验,以查验一切其他输出二极管。
元件过热

尽管电源在满载条件下运转,且已在室温下运转至少20分钟,仍需丈量一切要害元件的温度。这些元件应包含二极管、电解%&&&&&%、共模扼流圈、变压器磁芯、绕组以及MOSFET/操控器器材。在最小和最大AC输入电压下进行温度丈量。为挨近最差条件,应升高所记载的温度,办法加上实测室温与指定的最高环境温度之间的差值。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,保证将任何降额要求归入考量。

外推室温下的热丈量
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。下面的列表供给了常用元件的部分保存温度降额值。假如在该测验进程中发现任何元件冒烟或变色,请当即关断AC输入并处理这一问题。

最高环境温度下的保存温度限值
输出电压纹波
不要忘掉还要丈量输出电压纹波,并承认它处于指定限值规模内。
终究测验
终究,需求用实践负载来测验您的规划。关断AC输入,将电子负载从电源输出移除,然后衔接实践负载。将一个万用表衔接到电源的输出端,监测输出电压。将沟通电源供应器设定为电源的最大AC电压,并翻开电源。查验电源能否在为实践负载供电的状况下发动并到达稳压。然后,将AC电压设定为最小限值,再次进行体系测验。假如电源无法到达稳压,请参照
www.powerint.com/en/pi-university/courses/fixing-flyback-supply-where-output-fails-reach-regulation中的程序进行问题排查。
请必须循环测验不同的作业形式,保证电源永久不会进入主动重发动形式。假如进入的话,阐明您的负载所吸收的功率大于电源的额外输出功率。您需求从头仔细剖析负载特性,然后从头规划电源。

定论
第一次发动新的反激式电源时总是充满着危险。您面临着损坏元件、发现功用缺乏或发现意外规划缺点的或许性。上文所介绍的测验办法为您供给了十分有用的辅导,可协助您将这些危险降至最低,安全地发动电源并评价其各项功用。仔细逐渐履行这些测验程序,您不仅能处理新规划所常见的问题,还能够发现任何躲藏的规划缺点,然后防止在后续测验中或产品实践发布后引致更为昂扬的修理本钱。


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