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简介:新手初次设计反激电源式电源?手把手教你步骤

漏极电流波形(启动)

触发示波器上的漏极电流波形时重复上述操作程序,测量在装上电源时看到的最高电流。检验电流波形的形状,看是否存在变压器饱和的迹象。

启动过程中,可能会看到两个电流波形中的一个。左侧波形是正常电流脉冲,它在导通到关断的过程中呈线性斜升。右侧电流脉冲表示存在变压器饱和的迹象。请注意该脉冲是如何以类似指数的形式上升到更高端的。这是变压器磁芯达到饱和且不能再贮存能量的临界点。此时,初级电流将快速增大,可能会损坏Power Integrations器件或其他初级侧元件。

变压器饱和的主要原因是有过多的磁通在磁芯中累积。如果在您的设计中发现饱和现象,首先需要与变压器供应商核实,看变压器是否严格按照PI Expert设计所指定的参数值进行制造。此外,还应确保变压器的初级电感值处于设计所容许的容差限值范围内。(请参见第16章,了解不使用LCR测量仪进行此测量的具体方法。)如果器件限流点设定过高,也会造成变压器饱和。请查阅所用器件的数据手册,了解检验限流点设定方式的信息。

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PI Expert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PI Expert所指定的限值。请注意,优化后的PI Expert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,PI Expert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。

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/Δt

MOSFET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PI Expert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。

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。

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8 V,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8 V,但小于约9 V.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8 V以上。

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,Power Integrations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。

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PI Expert预测值低出5%或更多,则需要解决此问题。

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Power Integrations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。

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PI University的故障诊断课程解决这一问题。

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。检验电源能否在为实际负载供电的情况下启动并达到稳压。

将AC电压设定为最小限值,重复此测试。如果电源在连接实际负载的情况下无法启动,您需要观看PI大学故障诊断课程“修复输出无法达到稳压的反激式电源”排查问题。

为最终负载供电

如果您的负载具有不同的工作模式,请务必循环测试所有模式,确保电源永远不会进入自动重启动模式。如果进入的话,说明您的负载所吸收的功率大于电源的额定输出功率。此时,您需要认真分析负载特性,然后重新设计电源。

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