第一次設計和測試反激式電源

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

在執行本文所述的測試之前，您需要準備一個(gè)交流電源供應器及一個(gè)自耦變壓器、一個(gè)瓦特表、至少四個(gè)萬(wàn)用表（其中兩個(gè)應具有高精度電流量程）、一個(gè)帶有高壓探針的示波器、一個(gè)電流探針、一個(gè)電子負載和您的實(shí)際負載。測試時(shí)間將會(huì )持續一到兩個(gè)小時(shí)。最后，為預防起見(jiàn)，如果您的設計所采用的印刷電路板符合您的器件制造商所規定的布局指南，我們建議您只執行這些測試。使用實(shí)驗用面包板或原始樣板會(huì )將不合需要的寄生元件引入電路，這樣會(huì )影響電源的正常工作。此外，許多實(shí)驗用面包板都無(wú)法承載開(kāi)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(kāi)始測試時(shí)，應先簡(jiǎn)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(jiàn)，但一個(gè)元件插裝錯誤卻能導致破壞性故障。

接下來(lái)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(huà)）。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(xiàn)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換IC，它集成了一個(gè)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臄祿謨詠?lái)確定應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(lái)源：Power Integrations
接下來(lái)，將兩個(gè)短導線(xiàn)焊接到輸入電容的負極和正極端子上，用作測試點(diǎn)。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(guò)程中，監測輸入電容的輸出電壓和DC總線(xiàn)電壓。將一個(gè)萬(wàn)用表連接到電路板的輸出端子，并將另一個(gè)萬(wàn)用表連接到輸入電容，利用兩個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行監測。這兩個(gè)萬(wàn)用表都應設置為讀取DC電壓。

如果您的設計采用多路輸出，可將負載電阻連接到主穩壓輸出以外的任何輸出。確保負載電阻的大小應能夠吸收為每個(gè)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格范圍。如果沒(méi)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輸入導線(xiàn)連接到電路板。進(jìn)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A(yíng)C輸入通道中設置一個(gè)瓦特表，對其進(jìn)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(méi)有瓦特表可用，可將第三個(gè)萬(wàn)用表與AC輸入串聯(lián)，設置為測量AC電流。再將第四個(gè)萬(wàn)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器設置為零，然后將其開(kāi)啟。將輸入電壓慢慢提高到10 VAC左右。瓦特表或輸入萬(wàn)用表上的AC輸入電壓應有所升高。如果沒(méi)有升高，應確認您的交流電源供應器是否配置正確。您還應該看到DC總線(xiàn)電壓在您施加AC電壓的過(guò)程中不斷增大。
如果您使用的是瓦特表，穩態(tài)AC輸入功率應小于15 mW。如果您使用的是兩個(gè)萬(wàn)用表，穩態(tài)AC電流讀數應小于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(shí)，依次關(guān)閉交流電源供應器、斷開(kāi)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(wèn)題。

啟動(dòng)和穩壓
如果輸入功率小于15 mW，則繼續將電壓增大到50 VAC。檢查DC輸出電壓。如果輸出處于穩壓狀態(tài)、自動(dòng)重啟動(dòng)狀態(tài)，或者輸出電壓表上的電壓讀數大于0.1 V，則說(shuō)明的電路板未受損且功能正常。
繼續將AC輸入電壓增大至指定的最小輸入電壓。如果您的設計仍無(wú)法啟動(dòng)或達到穩壓，請參見(jiàn)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，將輸入導線(xiàn)從電路板斷開(kāi)，將輸入電容放電至安全的電壓水平。此外，將萬(wàn)用表從DC大容量電容斷開(kāi)。
接下來(lái)，您需要監測漏極開(kāi)關(guān)波形。斷開(kāi)電路板上的漏極走線(xiàn)，插入一個(gè)電流環(huán)。確保此斷開(kāi)點(diǎn)介于電源轉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(shí)，將一個(gè)1000 V或更大倍數的x100探針連接到MOSFET兩端來(lái)測量開(kāi)關(guān)電壓。將示波器配置為以適當的比例同時(shí)顯示電壓和電流波形，并設置一個(gè)寬時(shí)基，以便在一幀圖像上顯示盡可能多的開(kāi)關(guān)周期。
將一個(gè)電子負載連接到電源的主輸出，確定負載設置為零。將兩個(gè)萬(wàn)用表連接到該輸出，一個(gè)連接到輸出端子來(lái)測量輸出電壓，另一個(gè)與電子負載串聯(lián)來(lái)測量輸出電流。嘗試用精度最高的萬(wàn)用表來(lái)測量輸出電流。

重新將AC輸入導線(xiàn)連接到電路板，確定自耦變壓器或交流電源供應器設置為零。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(mǎn)功率的25%。輸出電壓應維持在指定穩壓容差范圍內。繼續將負載提升至滿(mǎn)載，進(jìn)行檢查以確保輸出電壓保持穩定并處于穩壓限值范圍內。

檢查滿(mǎn)載工作
您的設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(gè)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(méi)有電子負載可用，請參閱電力電子學(xué)教科書(shū)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(gè)萬(wàn)用表來(lái)監測每個(gè)輸出的輸出電壓和電流。在我們采用四路輸出的示例設計中，我們需要用到八個(gè)萬(wàn)用表，至少四個(gè)應具有高精度電流量程，以便進(jìn)行快速測量。如果手上的萬(wàn)用表數量有限，可以用一個(gè)萬(wàn)用表來(lái)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(gè)輸出。
將所有負載設置為從每個(gè)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(kāi)始逐個(gè)慢慢增大每個(gè)輸出的負載，以達到該輸出的額定滿(mǎn)載點(diǎn)。不斷重復這一操作，直到所有輸出都提供指定的滿(mǎn)輸出功率為止。如果所有輸出都保持穩壓，并且處于指定的容差限值范圍內，則表明您的電源正在提供最大連續輸出功率。如果情況不是如此，則必須停止測試，開(kāi)始排查問(wèn)題。Power Integrations可為您提供各種故障排除策略，請見(jiàn)www.powerint.com/pi-university。如果您的電源已經(jīng)進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)模式，可使用這里介紹的程序來(lái)排查問(wèn)題：www.powerint.com/en/pi-univerity/courses/fixing-flyback-supply-does-not-deliver-full-power。
此時(shí)，根據性能目標來(lái)測量電源的效率也很有用。有關(guān)執行此測試的幫助信息，請參見(jiàn)www.powerint.com/en/pi-university/courses/techniques-measuring-efficiency。如果電源效率的測量值低于預期值的5%以上，您需要先排查此問(wèn)題，然后再繼續下面的步驟。
測量峰值漏極電壓
在初始化過(guò)程中的下一步是測量峰值漏極電壓。減小示波器的時(shí)基，并在漏極電壓的上升沿觸發(fā)。將示波器設置為正常觸發(fā)模式，然后緩慢增加觸發(fā)電平，直至示波器在MOSFET電壓出現最高峰值時(shí)偶爾觸發(fā)。利用示波器的光標測量MOSFET在此峰值時(shí)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(guò)650 VDC，則應停止增加輸入電壓，以防止該電壓超過(guò)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(shuō)明您的箝位電路可能設計有誤，或者變壓器漏感超過(guò)了預期值。請先解決這一問(wèn)題，然后再繼續下一操作。
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。如果您的設計中包含UV檢測電路，則請重新連接該電路。同時(shí)，應將一個(gè)萬(wàn)用表連接到輸入大容量電容兩端，設置為測量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(xiàn)電壓達到UV閾值的下限。
通常情況下，電源的啟動(dòng)電壓應介于根據控制器UV電阻的容差所設定的兩個(gè)限值之間。而且，電源在電壓達到您設計的最小AC輸入電壓之前應能啟動(dòng)。
電源啟動(dòng)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(mǎn)載。開(kāi)始在主輸出上緩慢增加負載，同時(shí)監測示波器上的峰值漏極電壓。在開(kāi)始使電源輸出過(guò)載時(shí)，確保該峰值電壓始終不會(huì )超過(guò)650 V峰值。如果超過(guò)峰值，請停止測試，排查箝位電路上的問(wèn)題。
一旦達到最大過(guò)載功率，輸出將會(huì )失調。這將觸發(fā)器件并進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)，或者進(jìn)行鎖存關(guān)斷。
在此過(guò)程中，記錄電源在剛進(jìn)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，您需要調整箝位電路。請注意，設計出現過(guò)載會(huì )給所有元件帶來(lái)應力，且會(huì )增加電源的熱耗散。如果發(fā)現過(guò)熱征兆，應立即停止測試，讓電源慢慢冷卻下來(lái)。最后，在最大AC輸入電壓下重復此測試。
進(jìn)行下一個(gè)測試時(shí)，需要將電源負載減小至滿(mǎn)載。如果電源已進(jìn)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。切斷交流電源供應器，然后等待DC總線(xiàn)上的電壓已降至約10 V。如果設計中采用了較大的大容量電容，可能需要花費幾分鐘的時(shí)間。
接下來(lái)，需要檢驗啟動(dòng)時(shí)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(mǎn)載狀態(tài)。將示波器設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(jìn)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(guò)程中繼續這一操作，直至在裝上電源的過(guò)程中抓取到最高峰值電壓。如果測得的最高峰值電壓超過(guò)650 V，則需要重新設計箝位。
重復上述操作程序，測量在裝上電源時(shí)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(gè)波形：一個(gè)顯示的是正常電流脈沖（左側），它在導通到關(guān)斷的過(guò)程中呈線(xiàn)性斜升；另一個(gè)電流脈沖（右側）表示存在變壓器飽和的跡象。請注意，右側的波形以指數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(diǎn)。此時(shí)，初級電流將快速增大，可能會(huì )損壞電源轉換器件或其他初級側元件。

圖2. 查看是否有變壓器飽和信號

資料來(lái)源：Power Integrations
變壓器飽和的主要原因是有過(guò)多的磁通在磁芯中累積。如果在您的設計中發(fā)現飽和現象，首先需要與變壓器供應商核實(shí)，看變壓器是否按照所指定的參數值進(jìn)行制造。此外，還應確保變壓器的初級電感值處于設計所容許的容差限值范圍內。如果器件限流點(diǎn)設定過(guò)高，也會(huì )造成變壓器飽和。請查閱器件的數據手冊，了解檢驗限流點(diǎn)設定方式的信息。
如果變壓器結構和限流點(diǎn)設定方式正確，您可能需要重新設計變壓器，以減小磁芯的磁通密度。您可以通過(guò)為變壓器添加額外線(xiàn)圈或減小初級電感所容許的生產(chǎn)容差來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。有些設計工具可以簡(jiǎn)化此過(guò)程。例如，如果您使用的是Power Integrations器件，該公司的PI Expert設計工具可在您增加次級繞組圈數的同時(shí)自動(dòng)按比例相應增加初級繞組圈數。您也可以通過(guò)調節KP值來(lái)減小磁通密度。如果初級限流點(diǎn)可設定且遠高于您的功率級要求，那么降低限流點(diǎn)也會(huì )造成磁通量增大。在有些情況下，您也能需要通過(guò)增大磁芯尺寸來(lái)減小磁通密度。在這種情況下，Power Integrations的PI Expert設計軟件還可用來(lái)自動(dòng)確定更優(yōu)化的解決方案。
變壓器磁芯過(guò)熱時(shí)，也會(huì )造成變壓器飽和。發(fā)現飽和問(wèn)題后，應檢驗變壓器是否在適當的溫度限值內進(jìn)行工作。必要時(shí)，請重新設計變壓器，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(lái)，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(mǎn)載。設定示波器，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(xiàn)電壓，同時(shí)測量漏極開(kāi)關(guān)電流波形。
利用示波器測量大部分線(xiàn)性斜升過(guò)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(shí)，應同一時(shí)間間隔內測量平均DC總線(xiàn)電壓。利用這兩個(gè)測量結果，您可以根據電感的基本關(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(lái)源：Power Integrations
MOSFET導通后，變壓器初級側的電壓將近似等于平均DC總線(xiàn)電壓。電感中的電流等于漏感電流。將此公式改寫(xiě)為：L= V ?t/?i。計算L值，將其與您設計中指定的值進(jìn)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(lái)，檢查在MOSFET導通后隨即出現的高初始電流。切斷交流電源供應器，將高壓示波器探針重新連接到MOSFET兩端，測量漏極開(kāi)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(mǎn)載。設定示波器，以便同時(shí)顯示MOSFET電壓和電流，并在漏極電壓的上升沿觸發(fā)。調寬時(shí)基范圍，以便監測一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)周期。
在您查看漏極電流波形的導通沿時(shí)，可以看到一個(gè)電流尖峰。該尖峰由寄生電容通過(guò)MOSFET快速放電時(shí)產(chǎn)生，它常見(jiàn)于開(kāi)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導通后將流限傳感器禁止一段時(shí)間。這種前沿消隱功能可防止初始電流尖峰觸發(fā)流限，使其提前結束電流脈沖。不過(guò)，如果導通尖峰大于正常值，還是會(huì )觸發(fā)器件的初始流限，并使傳輸到輸出的功率受到限制。

圖4. 測量輸出二極管的PIV

資料來(lái)源：Power Integrations
請參閱相關(guān)數據手冊，確定您的設計中所采用器件的最小前沿消隱時(shí)間。然后，測量前沿消隱時(shí)間結束后MOSFET上的電流大小。將測量值與器件數據手冊中的初始流限值進(jìn)行比較。如果MOSFET的測量值大于初始流限值，則可能會(huì )導致設計出現功率輸出問(wèn)題。
在指定的最低輸入電壓下重復此測量。如果電源設計為在低壓下以連續導通模式工作，則初始電流基值將會(huì )增大初始電流尖峰。
偏置繞組電壓
對于采用偏置繞組的設計，需要關(guān)斷AC輸入并連接一個(gè)示波器電壓探針，然后進(jìn)行設置，測量偏置繞組輸出濾波電容上的DC電壓。必要時(shí)，可將兩個(gè)短接導線(xiàn)焊接到電路板背面，用作測試點(diǎn)。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(gè)周期內的最低電壓。通常，我們建議最低偏置繞組電壓應降至 8V與9V之間。如果最低偏置繞組電壓<8 V，則可導致您的電源出現穩壓?jiǎn)?wèn)題。您需要增加偏置繞組的圈數以增大電壓。
為避免電壓增加過(guò)多，我們建議每次只添加一個(gè)線(xiàn)圈，然后再重新檢測設計中的電壓。添加過(guò)多線(xiàn)圈將導致偏置繞組電壓大幅升高，從而加大設計的空載功耗。在有些設計中，增大偏置繞組濾波電容的值可提供足夠的維持時(shí)間，使最低偏置繞組電壓升至8 V以上。
接下來(lái)，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(kāi)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(gè)低壓探針。如下圖所示，將接地線(xiàn)夾和探針尖分別連接到陰極和陽(yáng)極。請注意，雖然沒(méi)有必要，但電路圖中還會(huì )顯示一個(gè)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(lái)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(mǎn)載。示波器上應顯示以下結果：二極管導通時(shí)其上的電壓接近零值，二極管關(guān)斷時(shí)電壓迅速恢復為負值。該負電壓即為逆向電壓。在任何測量點(diǎn)測量二極管出現的最高負電壓，然后將該測量值與二極管的PIV額定值進(jìn)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(huì )在達到其預期壽命之前失效。為確保系統可靠性，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(jìn)行優(yōu)化。如果您采用多路輸出設計，請務(wù)必重復該測試，以檢驗所有其他輸出二極管。
元件過(guò)熱

雖然電源在滿(mǎn)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(jìn)行溫度測量。為接近最差條件，應升高所記錄的溫度，方法加上實(shí)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據手冊中的最大工作溫度進(jìn)行比較。在進(jìn)行比較時(shí)，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(mǎn)足特定安全要求或延長(cháng)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(guò)程中發(fā)現任何元件冒煙或變色，請立即關(guān)斷AC輸入并解決這一問(wèn)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。
最終測試
最后，需要用實(shí)際負載來(lái)測試您的設計。關(guān)斷AC輸入，將電子負載從電源輸出移除，然后連接實(shí)際負載。將一個(gè)萬(wàn)用表連接到電源的輸出端，監測輸出電壓。將交流電源供應器設定為電源的最大AC電壓，并打開(kāi)電源。檢驗電源能否在為實(shí)際負載供電的情況下啟動(dòng)并達到穩壓。然后，將AC電壓設定為最小限值，再次進(jìn)行系統測試。如果電源無(wú)法達到穩壓，請參照www.powerint.com/en/pi-university/courses/fixing-flyback-supply-where-output-fails-reach-regulation中的程序進(jìn)行問(wèn)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(huì )進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)模式。如果進(jìn)入的話(huà)，說(shuō)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，然后重新設計電源。

結論
第一次啟動(dòng)新的反激式電源時(shí)總是充滿(mǎn)著(zhù)風(fēng)險。您面臨著(zhù)損壞元件、發(fā)現功能不足或發(fā)現意外設計缺陷的可能性。上文所介紹的測試方法為您提供了非常有用的指導，可幫助您將這些風(fēng)險降至最低，安全地啟動(dòng)電源并評估其各項功能。認真逐步執行這些測試程序，您不僅能解決新設計所常見(jiàn)的問(wèn)題，還可以發(fā)現任何隱藏的設計缺陷，從而避免在后續測試中或產(chǎn)品實(shí)際發(fā)布后引致更為高昂的維修成本。