Flyback开关电源工作原理及测试要点解析.ppt

PreparedBy 伍辉平Date 2012 12 20 Flyback开关电源工作原理及测试要点 1 什么是Flyback开关电源2 Flyback工作原理3 Flyback电路分析和测试要点4 Flyback电路设计 目录 常用的开关电源拓扑结构 降压式 Buck 变换器 升压式 Boost 变换器 升降压式 Buck Boost 变换器 正激式 Forward 变换器 反激式 Flyback 变换器 半桥式 Half bridgeconverter 全桥式 Full bridgeconverter 推挽式 Push pullconverter Cuk变换器 Zeta变换器 Sepic变换器 开关电源拓扑结构 什么是Flyback 反激式开关电源 输出端在变压器原边绕组断开电源时获得能量 英文名称叫FlybackTransformer Flyback电路特点 优点 电路简单 能高效提供多路直流输出 因此适合多组输出要求 转换效率高 损失小 变压器匝数比值较小 输入电压在很大的范围内波动时 仍可有较稳定的输出 目前已可实现交流输入在85 265V间 无需切换而达到稳定输出的要求 缺点 输出电压中存在较大的纹波 负载调整精度不高 因此输出功率受到限制 通常应用于150W以下 转换变压器在电流连续 CCM 模式下工作时 有较大的直流分量 易导致磁芯饱和 所以必须在磁路中加入气隙 从而造成变压器体积变大 变压器有直流电流成份 且同时会工作于CCM DCM两种模式 故变压器在设计时较困难 反复调整次数较顺向式多 迭代过程较复杂 Flyback工作原理 单端反激式变换器 a VT导通期间 b VT关断期间 Flyback工作原理 1 磁通连续的工作状况 Flyback工作原理 2 磁通临界工作状况 Flyback工作原理 3 磁通不连续的工作状况 Flyback电路分析和测试要点 1 输入部分 输入部分主要由EMI元件构成 D8 D10为MOV 主要作用是吸收差模Surge等瞬间高电压脉冲干扰信号 NTC1为负温度系数热敏电阻 降低Inrush电流对桥堆的冲击 C1为差模滤波X2电容 脉冲电压峰值 2 5kV R1 R2为安规泄放电阻 需满足RC 1S安规要求 LG1为共模滤波电感 F1为保险管 熔断保护供电线路 输入部分测试主要考量Inrush对F1 NTC1 BD的冲击 热熔值需满足规格及裕量要求 Flyback电路分析和测试要点 2 整流滤波 由BD和Bulk电容组成 通过全波整流和滤波 把输入交流电转换成直流电 Vbulk 1 414 Vin 测试主要考量桥堆平均整流电流Ifav 反向电压应力Vr和结温Tj Bulk电容电压应力和纹波电流 测试条件包含开关机瞬态 AC打火 Surge测试 以及输入过电压极限测试 Flyback电路分析和测试要点 3 功率变换电路 主要由开关管Q1 反激变压器T1 RCD尖峰吸收回路R13 D6 R11 C7组成 Q1导通期间 T1储能 在Q1截止过程中 T1储存的能量通过耦合释放到二次侧 通过整流滤波转换成直流输出 RCD电路主要用于吸收Q1关断过程中高频变压器漏感的能量引起的尖峰电压和次级线圈反射电压的叠加 泄放到Bulk电容 C2为共模滤波Y2电容 脉冲耐压 5KV R10为驱动电阻 用于调节开关损耗 R12为驱动下拉电阻 抑制驱动干扰 R15 R16 R18为OCP检测电阻 R14 C8组成RC滤波网络 防止OCP误动作 关键测试点 Q1之Vds Vgs Id Tj D6反向电压应力Vr和Tj C7温升Tc和纹波电流 测试条件 开关机瞬态 AC打火 Surge测试 输出OLP 输出短路 DynamicLoad Flyback电路分析和测试要点 4 输出整流滤波电路 由输出整流肖特基二极管和滤波电容 电感组成 R17 C14为RC滤波线路 用于在D7 D9截止工作时平滑尖峰信号 改善EMI和D7 D9反向电压应力作用 R24为假负载 用于改善间歇振荡现象 LG2为共模滤波电感 关键测试点 D7 D9正向导通电流Ifav 反向电压应力Vr 结温Tj C9 C10纹波电流和Tc 测试条件 开关机瞬态 AC打火 Surge测试 输出OLP 输出短路 DynamicLoad Flyback电路分析和测试要点 5 反馈回路 反馈电路由AZ431和光耦构成 输出电压通过集成稳压器AZ431和光电耦合器反馈到PWM控制IC的FB脚 调节R1 R2的分压比可设定和调节输出电压 达到较高的稳压精度 Uo 2 5V R22 R23 R23光耦传输比 CTR IC IF 100 H s R21 1 C11s R23R19 R20分别为上拉 下拉偏置电阻 R21 C11组成极零点补偿网络 通过调节R值或C值可以调节频带增益 一般增益要求 14dB 相位要求 45deg Flyback电路分析和测试要点 6 PWM控制电路 PWM芯片为On brightOB2263R6 R7是启动电阻 C5是储能电容 C4是高频滤波电容 D5是整流二极管 R9是限流电阻 AC电源接入时 Vbulk通过R6 R7对C5充电 当Vcc UVLO off 14V时 IC启动工作 电源输出直流电信号 Vcc通过T1绕组提供 Vcc振荡频率由R8决定 一般取100KohmFosc 6500 RI Kohm KHz 导通占空比由sense和FB共同确定OLP Vfb Vth pl 3 7VOCP Vsense Vth oc 0 75VOVP Vfb Vth 0d 0 75VUVP Vcc UVLO on 8 8V Flyback电路分析和测试要点 7 PWM控制IC OB2263框图 Flyback电路分析和测试要点 Flyback电路设计 EMI 整流滤波 变压器 次级整流滤波 开关器件 PWM控制IC 隔离器件 采样反馈 输出 高压区域 低压区域 隔离反激电源的结构框图 Flyback电路设计 Flyback电路设计 1 保险管的选取 作用 安全防护 在电源出现异常时 为了保护核心器件不受到损坏 技术参数 额定电压V 额定电流I 熔断时间I 2RT 分类 快断 慢断 常规 PF取0 6 不带功率因数校正的功率因数估值 Pin 为输入视在功率 Po输出功率 效率 设计的评估值 Uinmin最小的输入电压2为经验值 在实际应用中 保险管的取值范围是理论值的1 5 3倍 Flyback电路设计 2 压敏电阻MOV的选取 压敏电阻是一种限压型保护器件 利用压敏电阻的非线性特性 当过电压出现在压敏电阻的两极间 压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值 从而实现对后级电路的保护 主要作用 过电压保护 防雷 抑制浪涌电流 吸收尖峰脉冲 限幅 高压灭弧 消噪 保护半导体元器件等 主要参数有 压敏电压 通流容量 结电容 响应时间等 压敏电阻的响应时间为ns级 比空气放电管快 比TVS管 瞬间抑制二极管 稍慢一些 一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求 压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量 但不能承受毫安级以上的持续电流 在用作过压保护时必须考虑到这一点 压敏电阻的选用 一般选择标称压敏电压V1mA和通流容量两个参数 Flyback电路设计 2 压敏电阻MOV的选取 a为电路电压波动系数 一般取值1 2 Vrms为交流输入电压有效值 b为压敏电阻误差 一般取值0 85 C为元件的老化系数 一般取值0 9 2为交流状态下要考虑峰峰值 V1mA为压敏电阻电压实际取值近似值 Flyback电路设计 3 NTC热敏电阻的选取 NTC是以氧化锰等为主要原料制造的精细半导体电子陶瓷元件 电阻值随温度的变化呈现非线性变化 负温度系数NTC电阻值随温度升高而降低 作用 抑制开机时产生的Inrush Rt是热敏电阻在T1温度下的阻值 Rn是热敏电阻在Tn常温下的标称阻值 本例选取NTC为5 20 B是材质参数 常用范围2000K 6000K 本例选取NTC材质B 2600 exp是以自然数e为底的指数 e 2 71828 这里T1和Tn指的是K度即开尔文温度 K度 273 15 绝对温度 摄氏度 Flyback电路设计 4 X电容和Y电容的选取 根据IEC60384 14 安规电容器分为X电容及Y电容 1 X电容是指跨与L N之间的电容器 2 Y电容是指跨与L G N G之间的电容器 X电容主要用来抑制差模干扰安全等级峰值脉冲电压等级 IEC664 X1 2 5kV 4 0kV X2 2 5kV X3 1 2kV Y电容主要用于抑制共模干扰安全等级额定电压耐压等级Y1 250V 8kVY2 150V 250V 5kVY3 150V 250V 2 5KV 5KVY4 150V 2 5kV Y电容的存在使得开关电源有一项漏电流的电性指标 工作在亚热带的机器 要求对地漏电电流不能超过0 7mA 工作在温带机器 要求对地漏电电流不能超过0 35mA 因此 Y电容的总容量一般都不能超过4700PF 472 Flyback电路设计 5 共模电感设计 这两个线圈绕在同一铁芯上 匝数和相位都相同 绕制方向向反 已知条件EMI等級 FCCClassBC2 1000pFEMI测试频率 传导150KHz 30MHz 辐射30MHz 1GHz fo截止频率 实际的滤波器无法达到理想滤波器那样陡峭的阻抗曲线 通常可将设定在50KHz左右 在此 假设Fo 40KHz Flyback电路设计 6 整流桥的选取 输入电压要求85 265V 整流滤波后最大375V 所以二极管承受的反向电压压降大于2 375V 750V 考虑到开机过程中Inrush的影响 要求整流管允许的浪涌电流要 Irush 本例整流管为IN4007 其浪涌电流规格为30A 8 3ms I 2 t 7 47A 2 S 实际浪涌电流持续约1 375ms t 5RC 实际允许的Irush 73A Flyback电路设计 7 Bulk电容容值计算 Flyback电路设计 8 反激变压器的设计 MOS管导通时的平均电流 则变压器初级绕组感量为 匝比的计算次级线圈的计算 NS NP n辅助绕组线圈的计算 计算初级圈数NP NP1ifNP1 NP2NP2otherwise Flyback电路设计 8 反激变压器的设计 反推验证Dmax Flyback电路设计 9 MOS管的选取 MOS管的耐压选择 MOS管的耐电流选择 Idrms IpkMOS的导通损耗计算 Psw Idrms 2 Rds Flyback电路设计 10 次级整流肖特基 二极管的热损耗包括正向导通损耗 反向漏电流损耗及恢复损耗 因为选用的是肖特基二极管 反向恢复时间短和漏电流比较小 可忽略不记 二极管的耐压 Vr Uo Uinmax n 67V二极管的结温 Tj Rthjc Vf Id rms TaTa为工作的环境温