第一次设计和测试反激式电源

只看该作者 · 2013-9-29 19:36

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绍了安全执行此项重要任务和确保电源功能正常的操作过程。此外，还提供了一些额外信息的有用链接，可帮助您排除在设计中遇到的特定问题。
在执行本文所述的测试之前，您需要准备一个交流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（其中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际负载。测试时间将会持续一到两个小时。最后，为预防起见，如果您的设计所采用的印刷电路板符合您的器件制造商所规定的布局指南，我们建议您只执行这些测试。使用实验用面包板或原始样板会将不合需要的寄生元件引入电路，这样会影响电源的正常工作。此外，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，并且在这些电路板上非常难以控制爬电距离和电气间隙。

测试低电压工作
开始测试时，应先简单目测检查电路板，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。
接下来检查电源在低压输入下的共组情况。要完成这项任务，您必须禁用器件的欠压锁定功能（如果已启用的话）。通常情况下，需要将欠压(UV)电阻从电路板上卸除。在下面的示例电路中，欠压(UV)电阻连接在DC总线和Power Integrations的TOPSwitch-HX器件的M引脚之间，该器件是一款集成式高效率电源转换IC，它集成了一个700 V功率MOSFET，可用于反激式电源。在本例中，必须卸除电路图中突出显示的电阻，并使M引脚与源极短路。如果您使用的是其他器件，通常可参阅器件的数据手册来确定应使用的正确元件和禁用UV功能的方法。
图1 欠压(UV)电阻

资料来源：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。
   如果您的设计采用多路输出，可将负载电阻连接到主稳压输出以外的任何输出。确保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。进行检查以确保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。
   本测试还要求测量AC输入功率。在AC输入通道中设置一个瓦特表，对其进行配置以测量操作手册中列出的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。
   然后，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。如果没有升高，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。

只看该作者 · 2013-9-29 19:37

启动和稳压
   如果输入功率小于15 mW，则继续将电压增大到50 VAC。检查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输入电压增大至指定的最小输入电压。如果您的设计仍无法启动或达到稳压，完成本测试后，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。
   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。确保此断开点介于电源转换器件漏极引脚与箝位电路中的任何元件之间。这样可确保探针仅探测到MOSFET电流。
   此时，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压和电流波形，并设置一个宽时基，以便在一帧图像上显示尽可能多的开关周期。
   将一个电子负载连接到电源的主输出，确定负载设置为零。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。尝试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，确定自耦变压器或交流电源供应器设置为零。然后，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。继续将负载提升至满载，进行检查以确保输出电压保持稳定并处于稳压限值范围内。

只看该作者 · 2013-9-29 19:38

检查满载工作
   您的设计是否采用多路输出？如果是，请关断AC输入，拆下早前安装的最小负载电阻。将每个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。如果没有电子负载可用，请参阅电力电子学教科书或其他资源寻找负载选项，然后确定如何替代它们。
   连接两个万用表来监测每个输出的输出电压和电流。在我们采用四路输出的示例设计中，我们需要用到八个万用表，至少四个应具有高精度电流量程，以便进行快速测量。如果手上的万用表数量有限，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。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。不断重复这一操作，直到所有输出都提供指定的满输出功率为止。如果所有输出都保持稳压，并且处于指定的容差限值范围内，则表明您的电源正在提供最大连续输出功率。如果情况不是如此，则必须停止测试，开始排查问题。Power Integrations可为您提供各种故障排除策略，
此时，根据性能目标来测量电源的效率也很有用。如果电源效率的测量值低于预期值的5%以上，您需要先排查此问题，然后再继续下面的步骤。

只看该作者 · 2013-9-29 19:38

测量峰值漏极电压
   在初始化过程中的下一步是测量峰值漏极电压。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。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，然后测量最高峰值。
   如果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。如果您在达到最大输入电压前被迫停止，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。
   要测量欠压(UV)锁定工作情况，需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。同时，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。
   通常情况下，电源的启动电压应介于根据控制器UV电阻的容差所设定的两个限值之间。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。
   电源启动后，将AC电压增加到最小输入电压，然后使电源上的负载达到满载。开始在主输出上缓慢增加负载，同时监测示波器上的峰值漏极电压。在开始使电源输出过载时，确保该峰值电压始终不会超过650 V峰值。如果超过峰值，请停止测试，排查箝位电路上的问题。
   一旦达到最大过载功率，输出将会失调。这将触发器件并进入自动重启动，或者进行锁存关断。
在此过程中，记录电源在刚进入保护模式之前示波器上所显示的峰值漏极电压值。如果该值大于650 V，您需要调整箝位电路。请注意，设计出现过载会给所有元件带来应力，且会增加电源的热耗散。如果发现过热征兆，应立即停止测试，让电源慢慢冷却下来。最后，在最大AC输入电压下重复此测试。
   进行下一个测试时，需要将电源负载减小至满载。如果电源已进入锁存关断模式，可能需要在电源返回正常操作模式之前切断并重新接通AC输入。切断交流电源供应器，然后等待DC总线上的电压已降至约10 V。如果设计中采用了较大的大容量电容，可能需要花费几分钟的时间。
   接下来，需要检验启动时的漏极电压和电流波形。将输入电压增至最大值，确保电源处于满载状态。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，直至找到可在正常工作模式下进行触发的最高电平。然后切断交流输入，重新装上电源。
   在增加触发电平的过程中继续这一操作，直至在装上电源的过程中抓取到最高峰值电压。如果测得的最高峰值电压超过650 V，则需要重新设计箝位。
   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。下面有两个波形：一个显示的是正常电流脉冲（左侧），它在导通到关断的过程中呈线性斜升；另一个电流脉冲（右侧）表示存在变压器饱和的迹象。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，可能会损坏电源转换器件或其他初级侧元件。

图2. 查看是否有变压器饱和信号

资料来源：Power Integrations
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，看变压器是否按照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。如果器件限流点设定过高，也会造成变压器饱和。请查阅器件的数据手册，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，您可能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所容许的生产容差来实现这一点。有些设计工具可以简化此过程。例如，如果您使用的是Power Integrations器件，该公司的PI Expert设计工具可在您增加次级绕组圈数的同时自动按比例相应增加初级绕组圈数。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。在有些情况下，您也能需要通过增大磁芯尺寸来减小磁通密度。在这种情况下，Power Integrations的PI Expert设计软件还可用来自动确定更优化的解决方案。
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，并降低变压器的工作温度。

只看该作者 · 2013-9-29 19:39

计算变压器初级电感量
接下来，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，将高压探针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值的25%到75%之间。同时，应同一时间间隔内测量平均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 = L ∆i/∆t。

图3. 测量变压器初级电感量

资料来源：Power Integrations
   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。将此公式改写为：L= V ∆t/∆i。计算L值，将其与您设计中指定的值进行比较。如果您使用的是Power Integrations器件，可以使用PI Expert工具快速确定该值。如果该值超出器件的定义容差，请与变压器制造商联系。
   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。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。
   在您查看漏极电流波形的导通沿时，可以看到一个电流尖峰。该尖峰由寄生电容通过MOSFET快速放电时产生，它常见于开关电源。
   有些器件（如Power Integrations器件）具有一项这样的功能：可在MOSFET导通后将流限传感器禁止一段时间。这种前沿消隐功能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。

图4. 测量输出二极管的PIV

资料来源：Power Integrations
   请参阅相关数据手册，确定您的设计中所采用器件的最小前沿消隐时间。然后，测量前沿消隐时间结束后MOSFET上的电流大小。将测量值与器件数据手册中的初始流限值进行比较。如果MOSFET的测量值大于初始流限值，则可能会导致设计出现功率输出问题。
   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
   对于采用偏置绕组的设计，需要关断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。
使用示波器测量偏置绕组电容在整个周期内的最低电压。通常，我们建议最低偏置绕组电压应降至 8V与9V之间。如果最低偏置绕组电压<8 V，则可导致您的电源出现稳压问题。您需要增加偏置绕组的圈数以增大电压。
   为避免电压增加过多，我们建议每次只添加一个线圈，然后再重新检测设计中的电压。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。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。
   接下来，检测输出二极管的峰值反向电压(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。请注意，虽然没有必要，但电路图中还会显示一个电流探针与输出二极管串联，用于查看二极管电流。

图5. 测量输出二极管的PIV

资料来源：Power Integrations
电路建立后，施加最大AC输入电压，并将电源负载增至满载。示波器上应显示以下结果：二极管导通时其上的电压接近零值，二极管关断时电压迅速恢复为负值。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。如果测量值大于或等于二极管额定值，那么该二极管将会在达到其预期寿命之前失效。为确保系统可靠性，我们建议在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，您可能需要换用PIV额定值更大的二极管，或者对二极管缓冲电路进行优化。如果您采用多路输出设计，请务必重复该测试，以检验所有其他输出二极管。
元件过热
虽然电源在满载条件下运行，且已在室温下运行至少20分钟，仍需测量所有关键元件的温度。这些元件应包括二极管、电解电容、共模扼流圈、变压器磁芯、绕组以及MOSFET/控制器器件。在最小和最大AC输入电压下进行温度测量。为接近最差条件，应升高所记录的温度，方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，确保将任何降额要求纳入考量。

外推室温下的热测量
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。下面的列表提供了常用元件的部分保守温度降额值。如果在该测试过程中发现任何元件冒烟或变色，请立即关断AC输入并解决这一问题。

最高环境温度下的保守温度限值
输出电压纹波
不要忘记还要测量输出电压纹波，并确认它处于指定限值范围内。
最终测试
最后，需要用实际负载来测试您的设计。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，并打开电源。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。然后，将AC电压设定为最小限值，再次进行系统测试。
请务必循环测试不同的工作模式，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。您需要重新认真分析负载特性，然后重新设计电源。

结论
第一次启动新的反激式电源时总是充满着风险。您面临着损坏元件、发现功能不足或发现意外设计缺陷的可能性。上文所介绍的测试方法为您提供了非常有用的指导，可帮助您将这些风险降至最低，安全地启动电源并评估其各项功能。认真逐步执行这些测试程序，您不仅能解决新设计所常见的问题，还可以发现任何隐藏的设计缺陷，从而避免在后续测试中或产品实际发布后引致更为高昂的维修成本。