开关电源调试中,经常困扰工程师的8个问题

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开关电源,又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源,而输出多半是需要直流电源的设备,例如个人电脑,而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。下面我来介绍几种开关电源调试会碰到的问题及解决办法。

1、变压器饱和现象

在高压或低压输入下开机(包含轻载,重载,容性负载),输出短路,动态负载,高温等情况下,通过变压器(和开关管)的电流呈非线性增长,当出现此现象时,电流的峰值无法预知及控制,可能导致电流过应力和因此而产生的开关管过压而损坏。

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容易产生饱和的情况:

1)变压器感量太大;
2)圈数太少;
3)变压器的饱和电流点比IC的最大限流点小;
4)没有软启动。

解决办法:
1)降低IC的限流点;
2)加强软启动,使通过变压器的电流包络更缓慢上升。

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2、Vds过高

Vds的应力要求:

最恶劣条件(最高输入电压,负载最大,环境温度最高,电源启动或短路测试)下,Vds的最大值不应超过额定规格的90%。

Vds降低的办法:

1)减小平台电压:减小变压器原副边圈数比;
2)减小尖峰电压:

a.减小漏感,变压器漏感在开关管开通是存储能量是产生这个尖峰电压的主要原因,减小漏感可以减小尖峰电压;
b.调整吸收电路:

① 使用TVS管;
② 使用较慢速的二极管,其本身可以吸收一定的能量(尖峰);
③ 插入阻尼电阻可以使得波形更加平滑,利于减小EMI。

3、IC温度过高

原因及解决办法:

1)内部的MOSFET损耗太大:

开关损耗太大,变压器的寄生电容太大,造成MOSFET的开通、关断电流与Vds的交叉面积大。解决办法:增加变压器绕组的距离,以减小层间电容,如同绕组分多层绕制时,层间加入一层绝缘胶带(层间绝缘) 。

2)散热不良:

IC的很大一部分热量依靠引脚导到PCB及其上的铜箔,应尽量增加铜箔的面积并上更多的焊锡

3)IC周围空气温度太高:

IC应处于空气流动畅顺的地方,应远离零件温度太高的零件。

4、空载、轻载不能启动

现象:

空载、轻载不能启动,Vcc反复从启动电压和关断电压来回跳动。

原因:

空载、轻载时,Vcc绕组的感应电压太低,而进入反复重启动状态。

解决办法:

增加Vcc绕组圈数,减小Vcc限流电阻,适当加上假负载。如果增加Vcc绕组圈数,减小Vcc限流电阻后,重载时Vcc变得太高,请参照稳定Vcc的办法。

5、启动后不能加重载

原因及解决办法:

1)Vcc在重载时过高

重载时,Vcc绕组感应电压较高,使Vcc过高并达到IC的OVP点时,将触发IC的过压保护,引起无输出。如果电压进一步升高,超过IC的承受能力,IC将会损坏。

2)内部限流被触发

a.限流点太低

重载、容性负载时,如果限流点太低,流过MOSFET的电流被限制而不足,使得输出不足。解决办法是增大限流脚电阻,提高限流点。

b.电流上升斜率太大

上升斜率太大,电流的峰值会更大,容易触发内部限流保护。解决办法是在不使变压器饱和的前提下提高感量。

6、待机输入功率大

现象:

Vcc在空载、轻载时不足。这种情况会造成空载、轻载时输入功率过高,输出纹波过大。

原因:

输入功率过高的原因是,Vcc不足时,IC进入反复启动状态,频繁的需要高压给Vcc电容充电,造成起动电路损耗。如果启动脚与高压间串有电阻,此时电阻上功耗将较大,所以启动电阻的功率等级要足够。电源IC未进入Burst Mode或已经进入Burst Mode,但Burst 频率太高,开关次数太多,开关损耗过大。

解决办法:

调节反馈参数,使得反馈速度降低。

7、短路功率过大

现象:

输出短路时,输入功率太大,Vds过高。

原因:

输出短路时,重复脉冲多,同时开关管电流峰值很大,造成输入功率太大过大的开关管电流在漏感上存储过大的能量,开关管关断时引起Vds高。输出短路时有两种可能引起开关管停止工作:

1)触发OCP这种方式可以使开关动作立即停止

a、触发反馈脚的OCP;

b、开关动作停止;

c、Vcc下降到IC关闭电压;

d、Vcc重新上升到IC启动电压,而重新启动。

2)触发内部限流

这种方式发生时,限制可占空比,依靠Vcc下降到UVLO下限而停止开关动作,而Vcc下降的时间较长,即开关动作维持较长时间,输入功率将较大。

a、触发内部限流,占空比受限;

b、Vcc下降到IC关闭电压;

c、开关动作停止;

d、Vcc重新上升到IC启动电压,而重新启动。

8、空载、轻载输出反跳

现象:

在输出空载或轻载时,关闭输入电压,输出(如5V)可能会出现如下图所示的电压反跳的波形。

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原因:

输入关掉时,5V输出将会下降,Vcc也跟着下降,IC停止工作,但是空载或轻载时,巨大的PC电源大电容电压并不能快速下降,仍然能够给高压启动脚提供较大的电流使得IC重新启动,5V又重新输出,反跳。

解决方法:

在启动脚串入较大的限流电阻,使得大电容电压下降到仍然比较高的时候也不足以提供足够的启动电流给IC。将启动接到整流桥前,启动不受大电容电压影响。输入电压关断时,启动脚电压能够迅速下降。(以上删减了一些)

很多未进行过开关电源调试的工程师会对它产生一定的畏惧心理,比如担心开关电源的干扰问题,开关电源的各种异常现象等。其实只要了解了,一步步排除问题,开关电源调试还是非常方便的。

 

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