Flyback開關(guān)電源工作原理及測試要點

PreparedBy：伍輝平Date：2012-12-20Flyback開關(guān)電源工作原理及測試要點第1頁，共33頁。1，什么是Flyback開關(guān)電源2，F(xiàn)lyback工作原理3，F(xiàn)lyback電路分析和測試要點4，F(xiàn)lyback電路設(shè)計目錄第2頁，共33頁。常用的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)降壓式(Buck)變換器升壓式(Boost)變換器升降壓式(Buck-Boost)變換器正激式(Forward)變換器反激式(Flyback)變換器半橋式(Half-bridgeconverter)全橋式(Full-bridgeconverter)推挽式(Push-pullconverter)Cuk變換器Zeta變換器Sepic變換器開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)第3頁，共33頁。什么是Flyback？反激式開關(guān)電源：輸出端在變壓器原邊繞組斷開電源時獲得能量，英文名稱叫FlybackTransformer第4頁，共33頁。Flyback電路特點優(yōu)點：電路簡單，能高效提供多路直流輸出，因此適合多組輸出要求；轉(zhuǎn)換效率高，損失??；變壓器匝數(shù)比值較小；輸入電壓在很大的范圍內(nèi)波動時，仍可有較穩(wěn)定的輸出，目前已可實現(xiàn)交流輸入在85~265V間，無需切換而達(dá)到穩(wěn)定輸出的要求。缺點：輸出電壓中存在較大的紋波，負(fù)載調(diào)整精度不高，因此輸出功率受到限制，通常應(yīng)用于150W以下；轉(zhuǎn)換變壓器在電流連續(xù)(CCM)模式下工作時，有較大的直流分量，易導(dǎo)致磁芯飽和，所以必須在磁路中加入氣隙，從而造成變壓器體積變大。變壓器有直流電流成份，且同時會工作于CCM/DCM兩種模式，故變壓器在設(shè)計時較困難，反復(fù)調(diào)整次數(shù)較順向式多，迭代過程較復(fù)雜。第5頁，共33頁。Flyback工作原理單端反激式變換器a）VT導(dǎo)通期間b）VT關(guān)斷期間第6頁，共33頁。Flyback工作原理1.磁通連續(xù)的工作狀況第7頁，共33頁。Flyback工作原理2.磁通臨界工作狀況第8頁，共33頁。Flyback工作原理3.磁通不連續(xù)的工作狀況第9頁，共33頁。Flyback電路分析和測試要點1.輸入部分輸入部分主要由EMI元件構(gòu)成。D8/D10為MOV，主要作用是吸收差模Surge等瞬間高電壓脈沖干擾信號；NTC1為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，降低Inrush電流對橋堆的沖擊；C1為差模濾波X2電容（脈沖電壓峰值≤2.5kV）；R1/R2為安規(guī)泄放電阻，需滿足RC<1S安規(guī)要求；LG1為共模濾波電感；F1為保險管，熔斷保護(hù)供電線路。輸入部分測試主要考量Inrush對F1/NTC1/BD的沖擊，熱熔值需滿足規(guī)格及裕量要求。第10頁，共33頁。Flyback電路分析和測試要點2.整流濾波由BD和Bulk電容組成，通過全波整流和濾波，把輸入交流電轉(zhuǎn)換成直流電（Vbulk=1.414*Vin）。測試主要考量橋堆平均整流電流Ifav、反向電壓應(yīng)力Vr和結(jié)溫Tj；Bulk電容電壓應(yīng)力和紋波電流。測試條件包含開關(guān)機(jī)瞬態(tài)，AC打火，Surge測試，以及輸入過電壓極限測試。第11頁，共33頁。Flyback電路分析和測試要點3.功率變換電路主要由開關(guān)管Q1，反激變壓器T1，RCD尖峰吸收回路R13/D6/R11/C7組成。Q1導(dǎo)通期間，T1儲能，在Q1截止過程中，T1儲存的能量通過耦合釋放到二次側(cè)，通過整流濾波轉(zhuǎn)換成直流輸出。RCD電路主要用于吸收Q1關(guān)斷過程中高頻變壓器漏感的能量引起的尖峰電壓和次級線圈反射電壓的疊加，泄放到Bulk電容。C2為共模濾波Y2電容（脈沖耐壓>5KV）；R10為驅(qū)動電阻，用于調(diào)節(jié)開關(guān)損耗；R12為驅(qū)動下拉電阻，抑制驅(qū)動干擾；R15/R16/R18為OCP檢測電阻；R14/C8組成RC濾波網(wǎng)絡(luò)，防止OCP誤動作。關(guān)鍵測試點：Q1之Vds/Vgs/Id/Tj，D6反向電壓應(yīng)力Vr和Tj，C7溫升Tc和紋波電流。測試條件：開關(guān)機(jī)瞬態(tài)，AC打火，Surge測試，輸出OLP，輸出短路，DynamicLoad。第12頁，共33頁。Flyback電路分析和測試要點4.輸出整流濾波電路由輸出整流肖特基二極管和濾波電容/電感組成。R17/C14為RC濾波線路，用于在D7/D9截止工作時平滑尖峰信號，改善EMI和D7/D9反向電壓應(yīng)力作用；R24為假負(fù)載，用于改善間歇振蕩現(xiàn)象；LG2為共模濾波電感。關(guān)鍵測試點：D7/D9正向?qū)娏鱅fav、反向電壓應(yīng)力Vr、結(jié)溫Tj，C9/C10紋波電流和Tc。測試條件：開關(guān)機(jī)瞬態(tài)，AC打火，Surge測試，輸出OLP，輸出短路，DynamicLoad。第13頁，共33頁。Flyback電路分析和測試要點5.反饋回路反饋電路由AZ431和光耦構(gòu)成。輸出電壓通過集成穩(wěn)壓器AZ431和光電耦合器反饋到PWM控制IC的FB腳，調(diào)節(jié)R1、R2的分壓比可設(shè)定和調(diào)節(jié)輸出電壓，達(dá)到較高的穩(wěn)壓精度。Uo=2.5V*(R22+R23)/R23光耦傳輸比：CTR=IC/IF×100%H(s)=-(R21+1/C11s)/R23R19/R20分別為上拉/下拉偏置電阻；R21/C11組成極零點補償網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)節(jié)R值或C值可以調(diào)節(jié)頻帶增益。一般增益要求>-14dB，相位要求>45deg。第14頁，共33頁。Flyback電路分析和測試要點6.PWM控制電路PWM芯片為On-brightOB2263R6/R7是啟動電阻，C5是儲能電容，C4是高頻濾波電容，D5是整流二極管，R9是限流電阻。AC電源接入時，Vbulk通過R6/R7對C5充電，當(dāng)Vcc>UVLO(off):14V時，IC啟動工作，電源輸出直流電信號，Vcc通過T1繞組提供。Vcc振蕩頻率由R8決定，一般取100KohmFosc=6500/RI(Kohm)（KHz）導(dǎo)通占空比由sense和FB共同確定OLP：Vfb>Vth_pl:3.7VOCP：Vsense>Vth_oc:0.75VOVP：Vfb<Vth_0d:0.75VUVP：Vcc<UVLO(on):8.8V第15頁，共33頁。Flyback電路分析和測試要點7.PWM控制IC/OB2263框圖第16頁，共33頁。Flyback電路分析和測試要點第17頁，共33頁。Flyback電路設(shè)計EMI整流濾波變壓器次級整流濾波開關(guān)器件PWM控制IC隔離器件采樣反饋輸出高壓區(qū)域低壓區(qū)域隔離反激電源的結(jié)構(gòu)框圖第18頁，共33頁。Flyback電路設(shè)計第19頁，共33頁。Flyback電路設(shè)計1.保險管的選取作用：安全防護(hù)。在電源出現(xiàn)異常時，為了保護(hù)核心器件不受到損壞。技術(shù)參數(shù)：額定電壓V、額定電流I、熔斷時間I^2RT。分類：快斷、慢斷、常規(guī)PF取0.6（不帶功率因數(shù)校正的功率因數(shù)估值）Pin’為輸入視在功率，Po輸出功率，η效率（設(shè)計的評估值）Uinmin最小的輸入電壓2為經(jīng)驗值，在實際應(yīng)用中，保險管的取值范圍是理論值的1.5~3倍。第20頁，共33頁。Flyback電路設(shè)計2.壓敏電阻MOV的選取壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)對后級電路的保護(hù)。主要作用：過電壓保護(hù)、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護(hù)半導(dǎo)體元器件等。主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時間等。壓敏電阻的響應(yīng)時間為ns級，比空氣放電管快，比TVS管（瞬間抑制二極管）稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護(hù)其響應(yīng)速度可以滿足要求。壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量，但不能承受毫安級以上的持續(xù)電流，在用作過壓保護(hù)時必須考慮到這一點。壓敏電阻的選用，一般選擇標(biāo)稱壓敏電壓V1mA和通流容量兩個參數(shù)。第21頁，共33頁。Flyback電路設(shè)計2.壓敏電阻MOV的選取a為電路電壓波動系數(shù)，一般取值1.2.Vrms為交流輸入電壓有效值。b為壓敏電阻誤差，一般取值0.85.C為元件的老化系數(shù)，一般取值0.9.√2為交流狀態(tài)下要考慮峰峰值。V1mA為壓敏電阻電壓實際取值近似值第22頁，共33頁。Flyback電路設(shè)計3.NTC熱敏電阻的選取NTC是以氧化錳等為主要原料制造的精細(xì)半導(dǎo)體電子陶瓷元件。電阻值隨溫度的變化呈現(xiàn)非線性變化，負(fù)溫度系數(shù)NTC電阻值隨溫度升高而降低。作用：抑制開機(jī)時產(chǎn)生的Inrush。Rt是熱敏電阻在T1溫度下的阻值；Rn是熱敏電阻在Tn常溫下的標(biāo)稱阻值（本例選取NTC為5±20%）；B是材質(zhì)參數(shù)；(常用范圍2000K~6000K，本例選取NTC材質(zhì)B=2600)exp是以自然數(shù)e為底的指數(shù)（e=2.71828）；這里T1和Tn指的是K度即開爾文溫度，K度=273.15(絕對溫度)+攝氏度；第23頁，共33頁。Flyback電路設(shè)計4.X電容和Y電容的選取根據(jù)IEC60384-14,安規(guī)電容器分為X電容及Y電容：1.X電容是指跨與L-N之間的電容器,2.Y電容是指跨與L-G/N-G之間的電容器.X電容主要用來抑制差模干擾安全等級峰值脈沖電壓等級（IEC664）X1>2.5kV≤4.0kVⅢX2≤2.5kVⅡX3≤1.2kV——Y電容主要用于抑制共模干擾安全等級額定電壓耐壓等級Y1≥250V>8kVY2≥150V≤250V>

5kVY3≥150V≤250V≥2.5KV≤5KVY4<150V<2.5kVY電容的存在使得開關(guān)電源有一項漏電流的電性指標(biāo)。工作在亞熱帶的機(jī)器，要求對地漏電電流不能超過0.7mA；工作在溫帶機(jī)器，要求對地漏電電流不能超過0.35mA。因此，Y電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^4700PF（472）第24頁，共33頁。Flyback電路設(shè)計5.共模電感設(shè)計這兩個線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同(繞制方向向反)。已知條件EMI等級:FCCClassB

C2=1000pFEMI測試頻率：傳導(dǎo)150KHz~30MHz，輻射30MHz~1GHz。fo截止頻率：實際的濾波器無法達(dá)到理想濾波器那樣陡峭的阻抗曲線，通?？蓪⒃O(shè)定在50KHz左右。在此，假設(shè)Fo=40KHz。第25頁，共33頁。Flyback電路設(shè)計6.整流橋的選取輸入電壓要求85～265V，整流濾波后最大375V，所以二極管承受的反向電壓壓降大于2*375V=750V?？紤]到開機(jī)過程中Inrush的影響，要求整流管允許的浪涌電流要>Irush，本例整流管為IN4007，其浪涌電流規(guī)格為30A/8.3ms（I^2*t=7.47A^2*S）。實際浪涌電流持續(xù)約1.375ms（t=5RC）,實際允許的Irush<73A。第26頁，共33頁。Flyback電路設(shè)計7.Bulk電容容值計算第27頁，共33頁。Flyback電路設(shè)計8.反激變壓器的設(shè)計MOS管導(dǎo)通時的平均電流：則變壓器初級繞組感量為：第28頁，共33頁。匝比的計算次級線圈的計算：NS=NP/n輔助繞組線圈的計算計算初級圈數(shù)NP=NP1ifNP1>NP2NP2otherw