第一次設(shè)計和測試反激式電源

沒有經(jīng)過測試的產(chǎn)品往往會帶給人“意外的驚喜”，而對于電源設(shè)計師而言，第一次給新設(shè)計上電時往往會有同樣的顧慮。在很多情況下，設(shè)計師總會發(fā)現(xiàn)自己無意間損壞了元件或是發(fā)現(xiàn)了隱藏的設(shè)計缺陷。下文以詳細的步驟介紹了安全執(zhí)行此項重要任務(wù)和確保電源功能正常的操作過程。此外，還提供了一些額外信息的有用鏈接，可幫助您排除在設(shè)計中遇到的特定問題。

在執(zhí)行本文所述的測試之前，您需要準備一個交流電源供應(yīng)器及一個自耦變壓器、一個瓦特表、至少四個萬用表（其中兩個應(yīng)具有高精度電流量程）、一個帶有高壓探針的示波器、一個電流探針、一個電子負載和您的實際負載。測試時間將會持續(xù)一到兩個小時。最后，為預(yù)防起見，如果您的設(shè)計所采用的印刷電路板符合您的器件制造商所規(guī)定的布局指南，我們建議您只執(zhí)行這些測試。使用實驗用面包板或原始樣板會將不合需要的寄生元件引入電路，這樣會影響電源的正常工作。此外，許多實驗用面包板都無法承載開關(guān)電源所產(chǎn)生的電流水平，并且在這些電路板上非常難以控制爬電距離和電氣間隙。

測試低電壓工作

開始測試時，應(yīng)先簡單目測檢查電路板，確保所有極性組件都已正確插裝。雖然這種情況并不常見，但一個元件插裝錯誤卻能導(dǎo)致破壞性故障。

接下來檢查電源在低壓輸入下的共組情況。要完成這項任務(wù)，您必須禁用器件的欠壓鎖定功能（如果已啟用的話）。通常情況下，需要將欠壓(UV)電阻從電路板上卸除。在下面的示例電路中，欠壓(UV)電阻連接在DC總線和Power Integrations的TOPSwitch-HX器件的M引腳之間，該器件是一款集成式高效率電源轉(zhuǎn)換IC，它集成了一個700 V功率MOSFET，可用于反激式電源。在本例中，必須卸除電路圖中突出顯示的電阻，并使M引腳與源極短路。如果您使用的是其他器件，通?？蓞㈤喥骷臄?shù)據(jù)手冊來確定應(yīng)使用的正確元件和禁用UV功能的方法。
圖1 欠壓(UV)電阻

資料來源：Power Integrations
接下來，將兩個短導(dǎo)線焊接到輸入電容的負極和正極端子上，用作測試點。為了正確驗證低電壓工作情況，您需要在施加低AC輸入電壓的過程中，監(jiān)測輸入電容的輸出電壓和DC總線電壓。將一個萬用表連接到電路板的輸出端子，并將另一個萬用表連接到輸入電容，利用兩個測試點進行監(jiān)測。這兩個萬用表都應(yīng)設(shè)置為讀取DC電壓。

如果您的設(shè)計采用多路輸出，可將負載電阻連接到主穩(wěn)壓輸出以外的任何輸出。確保負載電阻的大小應(yīng)能夠吸收為每個輸出指定的最小負載。這樣可防止這些輸出電壓因峰值充電而超出規(guī)格范圍。如果沒有為輸出指定最小負載，那么選擇電阻吸收5 mA的輸出電流。
將AC輸入導(dǎo)線連接到電路板。進行檢查以確保AC輸入正確連接到電源的輸入端子，而不是連接到DC輸出。AC輸入連接錯誤可嚴重損壞電源。
本測試還要求測量AC輸入功率。在AC輸入通道中設(shè)置一個瓦特表，對其進行配置以測量操作手冊中列出的AC電壓、電流及輸入功率。如果沒有瓦特表可用，可將第三個萬用表與AC輸入串聯(lián)，設(shè)置為測量AC電流。再將第四個萬用表連接到電源輸入端子，測量AC電壓。
然后，確保自耦變壓器或交流電源供應(yīng)器設(shè)置為零，然后將其開啟。將輸入電壓慢慢提高到10 VAC左右。瓦特表或輸入萬用表上的AC輸入電壓應(yīng)有所升高。如果沒有升高，應(yīng)確認您的交流電源供應(yīng)器是否配置正確。您還應(yīng)該看到DC總線電壓在您施加AC電壓的過程中不斷增大。
如果您使用的是瓦特表，穩(wěn)態(tài)AC輸入功率應(yīng)小于15 mW。如果您使用的是兩個萬用表，穩(wěn)態(tài)AC電流讀數(shù)應(yīng)小于10 mA。輸入功率或AC電流增大表示電路板發(fā)生故障。如果情況屬實，依次關(guān)閉交流電源供應(yīng)器、斷開AC輸入，然后參閱www.powerint.com/en/pi-university/courses/fixing-flyback-supply-with-no-output中的信息以幫助確定和解決問題。

啟動和穩(wěn)壓
如果輸入功率小于15 mW，則繼續(xù)將電壓增大到50 VAC。檢查DC輸出電壓。如果輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)、自動重啟動狀態(tài)，或者輸出電壓表上的電壓讀數(shù)大于0.1 V，則說明的電路板未受損且功能正常。
繼續(xù)將AC輸入電壓增大至指定的最小輸入電壓。如果您的設(shè)計仍無法啟動或達到穩(wěn)壓，請參見鏈接www.powerint.com/en/pi-university/courses/fixing-flyback-supply-where-output-fails-reach-regulation。完成本測試后，關(guān)閉AC輸入，將輸入導(dǎo)線從電路板斷開，將輸入電容放電至安全的電壓水平。此外，將萬用表從DC大容量電容斷開。
接下來，您需要監(jiān)測漏極開關(guān)波形。斷開電路板上的漏極走線，插入一個電流環(huán)。確保此斷開點介于電源轉(zhuǎn)換器件漏極引腳與箝位電路中的任何元件之間。這樣可確保探針僅探測到MOSFET電流。
此時，將一個1000 V或更大倍數(shù)的x100探針連接到MOSFET兩端來測量開關(guān)電壓。將示波器配置為以適當(dāng)?shù)谋壤瑫r顯示電壓和電流波形，并設(shè)置一個寬時基，以便在一幀圖像上顯示盡可能多的開關(guān)周期。
將一個電子負載連接到電源的主輸出，確定負載設(shè)置為零。將兩個萬用表連接到該輸出，一個連接到輸出端子來測量輸出電壓，另一個與電子負載串聯(lián)來測量輸出電流。嘗試用精度最高的萬用表來測量輸出電流。

重新將AC輸入導(dǎo)線連接到電路板，確定自耦變壓器或交流電源供應(yīng)器設(shè)置為零。然后，接通AC輸入，慢慢將電壓增大至電源的最小指定輸入電壓。慢慢將電源的負載增大至滿功率的25%。輸出電壓應(yīng)維持在指定穩(wěn)壓容差范圍內(nèi)。繼續(xù)將負載提升至滿載，進行檢查以確保輸出電壓保持穩(wěn)定并處于穩(wěn)壓限值范圍內(nèi)。

檢查滿載工作
您的設(shè)計是否采用多路輸出？如果是，請關(guān)斷AC輸入，拆下早前安裝的最小負載電阻。將每個電阻都分別替換為電子負載，直到您電源的所有輸出都加有負載。如果沒有電子負載可用，請參閱電力電子學(xué)教科書或其他資源尋找負載選項，然后確定如何替代它們。
連接兩個萬用表來監(jiān)測每個輸出的輸出電壓和電流。在我們采用四路輸出的示例設(shè)計中，我們需要用到八個萬用表，至少四個應(yīng)具有高精度電流量程，以便進行快速測量。如果手上的萬用表數(shù)量有限，可以用一個萬用表來測量所有電壓，方法是將它輪流連接到所有輸出，分別測量電壓，一次測量一個輸出。
將所有負載設(shè)置為從每個輸出吸收少量的電流，避免峰值充電的發(fā)生。將AC輸入歸零，然后接通，慢慢將輸入增大至電源的最小工作電壓。從主輸出開始逐個慢慢增大每個輸出的負載，以達到該輸出的額定滿載點。不斷重復(fù)這一操作，直到所有輸出都提供指定的滿輸出功率為止。如果所有輸出都保持穩(wěn)壓，并且處于指定的容差限值范圍內(nèi)，則表明您的電源正在提供最大連續(xù)輸出功率。如果情況不是如此，則必須停止測試，開始排查問題。Power Integrations可為您提供各種故障排除策略，請見www.powerint.com/pi-university。如果您的電源已經(jīng)進入自動重啟動模式，可使用這里介紹的程序來排查問題：www.powerint.com/en/pi-univerity/courses/fixing-flyback-supply-does-not-deliver-full-power。
此時，根據(jù)性能目標(biāo)來測量電源的效率也很有用。有關(guān)執(zhí)行此測試的幫助信息，請參見www.powerint.com/en/pi-university/courses/techniques-measuring-efficiency。如果電源效率的測量值低于預(yù)期值的5%以上，您需要先排查此問題，然后再繼續(xù)下面的步驟。
測量峰值漏極電壓
在初始化過程中的下一步是測量峰值漏極電壓。減小示波器的時基，并在漏極電壓的上升沿觸發(fā)。將示波器設(shè)置為正常觸發(fā)模式，然后緩慢增加觸發(fā)電平，直至示波器在MOSFET電壓出現(xiàn)最高峰值時偶爾觸發(fā)。利用示波器的光標(biāo)測量MOSFET在此峰值時的最大電壓。然后，緩慢將AC輸入電壓增加到最大輸入電壓，增加50 V后暫停，以增加觸發(fā)電平，然后測量最高峰值。
如果所測得的峰值漏極電壓超過650 VDC，則應(yīng)停止增加輸入電壓，以防止該電壓超過MOSFET的最大額定電壓。如果您在達到最大輸入電壓前被迫停止，則說明您的箝位電路可能設(shè)計有誤，或者變壓器漏感超過了預(yù)期值。請先解決這一問題，然后再繼續(xù)下一操作。
要測量欠壓(UV)鎖定工作情況，需將各輸出負載降至最低，然后切斷AC輸入。如果您的設(shè)計中包含UV檢測電路，則請重新連接該電路。同時，應(yīng)將一個萬用表連接到輸入大容量電容兩端，設(shè)置為測量DC電壓。將AC輸入歸零并接通，然后緩慢增加電壓，直至DC總線電壓達到UV閾值的下限。
通常情況下，電源的啟動電壓應(yīng)介于根據(jù)控制器UV電阻的容差所設(shè)定的兩個限值之間。而且，電源在電壓達到您設(shè)計的最小AC輸入電壓之前應(yīng)能啟動。
電源啟動后，將AC電壓增加到最小輸入電壓，然后使電源上的負載達到滿載。開始在主輸出上緩慢增加負載，同時監(jiān)測示波器上的峰值漏極電壓。在開始使電源輸出過載時，確保該峰值電壓始終不會超過650 V峰值。如果超過峰值，請停止測試，排查箝位電路上的問題。
一旦達到最大過載功率，輸出將會失調(diào)。這將觸發(fā)器件并進入自動重啟動，或者進行鎖存關(guān)斷。
在此過程中，記錄電源在剛進入保護模式之前示波器上所顯示的峰值漏極電壓值。如果該值大于650 V，您需要調(diào)整箝位電路。請注意，設(shè)計出現(xiàn)過載會給所有元件帶來應(yīng)力，且會增加電源的熱耗散。如果發(fā)現(xiàn)過熱征兆，應(yīng)立即停止測試，讓電源慢慢冷卻下來。最后，在最大AC輸入電壓下重復(fù)此測試。
進行下一個測試時，需要將電源負載減小至滿載。如果電源已進入鎖存關(guān)斷模式，可能需要在電源返回正常操作模式之前切斷并重新接通AC輸入。切斷交流電源供應(yīng)器，然后等待DC總線上的電壓已降至約10 V。如果設(shè)計中采用了較大的大容量電容，可能需要花費幾分鐘的時間。
接下來，需要檢驗啟動時的漏極電壓和電流波形。將輸入電壓增至最大值，確保電源處于滿載狀態(tài)。將示波器設(shè)置為在漏極電壓波形的上升沿正常觸發(fā)，并緩慢增加觸發(fā)電平，直至找到可在正常工作模式下進行觸發(fā)的最高電平。然后切斷交流輸入，重新裝上電源。
在增加觸發(fā)電平的過程中繼續(xù)這一操作，直至在裝上電源的過程中抓取到最高峰值電壓。如果測得的最高峰值電壓超過650 V，則需要重新設(shè)計箝位。
重復(fù)上述操作程序，測量在裝上電源時看到的最高電流。檢驗電流波形的形狀，看是否存在變壓器飽和的跡象。下面有兩個波形：一個顯示的是正常電流脈沖（左側(cè)），它在導(dǎo)通到關(guān)斷的過程中呈線性斜升；另一個電流脈沖（右側(cè)）表示存在變壓器飽和的跡象。請注意，右側(cè)的波形以指數(shù)的形式上升到更高端。這是變壓器磁芯達到飽和且不能再貯存能量的臨界點。此時，初級電流將快速增大，可能會損壞電源轉(zhuǎn)換器件或其他初級側(cè)元件。

圖2. 查看是否有變壓器飽和信號

資料來源：Power Integrations
變壓器飽和的主要原因是有過多的磁通在磁芯中累積。如果在您的設(shè)計中發(fā)現(xiàn)飽和現(xiàn)象，首先需要與變壓器供應(yīng)商核實，看變壓器是否按照所指定的參數(shù)值進行制造。此外，還應(yīng)確保變壓器的初級電感值處于設(shè)計所容許的容差限值范圍內(nèi)。如果器件限流點設(shè)定過高，也會造成變壓器飽和。請查閱器件的數(shù)據(jù)手冊，了解檢驗限流點設(shè)定方式的信息。
如果變壓器結(jié)構(gòu)和限流點設(shè)定方式正確，您可能需要重新設(shè)計變壓器，以減小磁芯的磁通密度。您可以通過為變壓器添加額外線圈或減小初級電感所容許的生產(chǎn)容差來實現(xiàn)這一點。有些設(shè)計工具可以簡化此過程。例如，如果您使用的是Power Integrations器件，該公司的PI Expert設(shè)計工具可在您增加次級繞組圈數(shù)的同時自動按比例相應(yīng)增加初級繞組圈數(shù)。您也可以通過調(diào)節(jié)KP值來減小磁通密度。如果初級限流點可設(shè)定且遠高于您的功率級要求，那么降低限流點也會造成磁通量增大。在有些情況下，您也能需要通過增大磁芯尺寸來減小磁通密度。在這種情況下，Power Integrations的PI Expert設(shè)計軟件還可用來自動確定更優(yōu)化的解決方案。
變壓器磁芯過熱時，也會造成變壓器飽和。發(fā)現(xiàn)飽和問題后，應(yīng)檢驗變壓器是否在適當(dāng)?shù)臏囟认拗祪?nèi)進行工作。必要時，請重新設(shè)計變壓器，以降低磁芯和繞組損耗，并降低變壓器的工作溫度。

計算變壓器初級電感量
接下來，切斷AC輸入，將高壓示波器探針連接到輸入大容量電容的端子。然后，向電源施加最小的AC輸入電壓，將輸出負載增至滿載。設(shè)定示波器，將高壓探針連接在輸入大容量電解電容兩端，從而測量到DC總線電壓，同時測量漏極開關(guān)電流波形。
利用示波器測量大部分線性斜升過程中的漏極電流的di/dt比值。這部分通常處于流限值的25%到75%之間。同時，應(yīng)同一時間間隔內(nèi)測量平均DC總線電壓。利用這兩個測量結(jié)果，您可以根據(jù)電感的基本關(guān)系式計算出變壓器初級電感量的近似值：V = L ?i/?t。

圖3. 測量變壓器初級電感量

資料來源：Power Integrations
MOSFET導(dǎo)通后，變壓器初級側(cè)的電壓將近似等于平均DC總線電壓。電感中的電流等于漏感電流。將此公式改寫為：L= V ?t/?i。計算L值，將其與您設(shè)計中指定的值進行比較。如果您使用的是Power Integrations器件，可以使用PI Expert工具快速確定該值。如果該值超出器件的定義容差，請與變壓器制造商聯(lián)系。
接下來，檢查在MOSFET導(dǎo)通后隨即出現(xiàn)的高初始電流。切斷交流電源供應(yīng)器，將高壓示波器探針重新連接到MOSFET兩端，測量漏極開關(guān)電壓。施加最大的指定AC輸入電壓，并將電源負載增至滿載。設(shè)定示波器，以便同時顯示MOSFET電壓和電流，并在漏極電壓的上升沿觸發(fā)。調(diào)寬時基范圍，以便監(jiān)測一個完整的開關(guān)周期。
在您查看漏極電流波形的導(dǎo)通沿時，可以看到一個電流尖峰。該尖峰由寄生電容通過MOSFET快速放電時產(chǎn)生，它常見于開關(guān)電源。
有些器件（如Power Integrations器件）具有一項這樣的功能：可在MOSFET導(dǎo)通后將流限傳感器禁止一段時間。這種前沿消隱功能可防止初始電流尖峰觸發(fā)流限，使其提前結(jié)束電流脈沖。不過，如果導(dǎo)通尖峰大于正常值，還是會觸發(fā)器件的初始流限，并使傳輸?shù)捷敵龅墓β适艿较拗啤?/FONT>

圖4. 測量輸出二極管的PIV

資料來源：Power Integrations
請參閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊，確定您的設(shè)計中所采用器件的最小前沿消隱時間。然后，測量前沿消隱時間結(jié)束后MOSFET上的電流大小。將測量值與器件數(shù)據(jù)手冊中的初始流限值進行比較。如果MOSFET的測量值大于初始流限值，則可能會導(dǎo)致設(shè)計出現(xiàn)功率輸出問題。
在指定的最低輸入電壓下重復(fù)此測量。如果電源設(shè)計為在低壓下以連續(xù)導(dǎo)通模式工作，則初始電流基值將會增大初始電流尖峰。
偏置繞組電壓
對于采用偏置繞組的設(shè)計，需要關(guān)斷AC輸入并連接一個示波器電壓探針，然后進行設(shè)置，測量偏置繞組輸出濾波電容上的DC電壓。必要時，可將兩個短接導(dǎo)線焊接到電路板背面，用作測試點。然后，施加最小的AC輸入電壓，并移除電源輸出上的所有負載。
使用示波器測量偏置繞組電容在整個周期內(nèi)的最低電壓。通常，我們建議最低偏置繞組電壓應(yīng)降至 8V與9V之間。如果最低偏置繞組電壓<8 V，則可導(dǎo)致您的電源出現(xiàn)穩(wěn)壓問題。您需要增加偏置繞組的圈數(shù)以增大電壓。
為避免電壓增加過多，我們建議每次只添加一個線圈，然后再重新檢測設(shè)計中的電壓。添加過多線圈將導(dǎo)致偏置繞組電壓大幅升高，從而加大設(shè)計的空載功耗。在有些設(shè)計中，增大偏置繞組濾波電容的值可提供足夠的維持時間，使最低偏置繞組電壓升至8 V以上。
接下來，檢測輸出二極管的峰值反向電壓(PIV)。首先，關(guān)斷AC輸入，并斷開電路板上的所有示波器探針。然后，在待測量的輸出二極管上連接一個低壓探針。如下圖所示，將接地線夾和探針尖分別連接到陰極和陽極。請注意，雖然沒有必要，但電路圖中還會顯示一個電流探針與輸出二極管串聯(lián)，用于查看二極管電流。

圖5. 測量輸出二極管的PIV

資料來源：Power Integrations
電路建立后，施加最大AC輸入電壓，并將電源負載增至滿載。示波器上應(yīng)顯示以下結(jié)果：二極管導(dǎo)通時其上的電壓接近零值，二極管關(guān)斷時電壓迅速恢復(fù)為負值。該負電壓即為逆向電壓。在任何測量點測量二極管出現(xiàn)的最高負電壓，然后將該測量值與二極管的PIV額定值進行比較。如果測量值大于或等于二極管額定值，那么該二極管將會在達到其預(yù)期壽命之前失效。為確保系統(tǒng)可靠性，我們建議在PIV測量值與二極管額定值之間維持20%的裕量。如果您的二極管不符合這些要求，您可能需要換用PIV額定值更大的二極管，或者對二極管緩沖電路進行優(yōu)化。如果您采用多路輸出設(shè)計，請務(wù)必重復(fù)該測試，以檢驗所有其他輸出二極管。
元件過熱

雖然電源在滿載條件下運行，且已在室溫下運行至少20分鐘，仍需測量所有關(guān)鍵元件的溫度。這些元件應(yīng)包括二極管、電解電容、共模扼流圈、變壓器磁芯、繞組以及MOSFET/控制器器件。在最小和最大AC輸入電壓下進行溫度測量。為接近最差條件，應(yīng)升高所記錄的溫度，方法加上實測室溫與指定的最高環(huán)境溫度之間的差值。將這些估計溫度與元件數(shù)據(jù)手冊中的最大工作溫度進行比較。在進行比較時，確保將任何降額要求納入考量。

外推室溫下的熱測量
您可以降低元件額定溫度，以滿足特定安全要求或延長元件使用壽命。下面的列表提供了常用元件的部分保守溫度降額值。如果在該測試過程中發(fā)現(xiàn)任何元件冒煙或變色，請立即關(guān)斷AC輸入并解決這一問題。

最高環(huán)境溫度下的保守溫度限值
輸出電壓紋波
不要忘記還要測量輸出電壓紋波，并確認它處于指定限值范圍內(nèi)。
最終測試
最后，需要用實際負載來測試您的設(shè)計。關(guān)斷AC輸入，將電子負載從電源輸出移除，然后連接實際負載。將一個萬用表連接到電源的輸出端，監(jiān)測輸出電壓。將交流電源供應(yīng)器設(shè)定為電源的最大AC電壓，并打開電源。檢驗電源能否在為實際負載供電的情況下啟動并達到穩(wěn)壓。然后，將AC電壓設(shè)定為最小限值，再次進行系統(tǒng)測試。如果電源無法達到穩(wěn)壓，請參照www.powerint.com/en/pi-university/courses/fixing-flyback-supply-where-output-fails-reach-regulation中的程序進行問題排查。
請務(wù)必循環(huán)測試不同的工作模式，確保電源永遠不會進入自動重啟動模式。如果進入的話，說明您的負載所吸收的功率大于電源的額定輸出功率。您需要重新認真分析負載特性，然后重新設(shè)計電源。

結(jié)論
第一次啟動新的反激式電源時總是充滿著風(fēng)險。您面臨著損壞元件、發(fā)現(xiàn)功能不足或發(fā)現(xiàn)意外設(shè)計缺陷的可能性。上文所介紹的測試方法為您提供了非常有用的指導(dǎo)，可幫助您將這些風(fēng)險降至最低，安全地啟動電源并評估其各項功能。認真逐步執(zhí)行這些測試程序，您不僅能解決新設(shè)計所常見的問題，還可以發(fā)現(xiàn)任何隱藏的設(shè)計缺陷，從而避免在后續(xù)測試中或產(chǎn)品實際發(fā)布后引致更為高昂的維修成本。