「开关电源」单片集成芯片控制隔离式电路工作原理、电路调试及测试、波形分析

本电路方案以反激拓扑结构为例，应用单片集成芯片KA5L0380R控制的40W反激电源电路如图1所示。电源的基本规格：输入电压：AC 90~264V/50Hz，输出电压：12V，输出功率：40W，开关频率：50KHz

图1  40W反激电源电路

电路组成结构：EMI整流滤波、反激和输出整流滤波电路、输出检测和反馈控制三大部分电路构成。C1、C2、C3、C4、R1、Z1和LF1构成EMI电路；VD7、VD8、VD9、VD10、NTC、C6构成整流储能电路，其中NTC抑制浪涌电流；VD1、R7、C7、T1、VD5、R16、C16、C17、C18、C22、C20、C23和L1构成反激和输出整流滤波电路，其中VD1、R7、C7和R16、C16构成吸收网络，L1起平滑电流的作用，R17作为假负载；R19、R20、VR1、R21、R22、R23、C21、IC1、IC2、C8和VF1构成输出检测反馈和控制电路。其中，C21、R23、C8构成补偿网络，IC2（TL431）提供一个基准电压。其它电路：变压器辅助绕组、VD4和C9给集成控制芯片VF1提供正常工作电压Vcc，整流滤波电压VC6通过R2给VF1提供启动工作电压。

调试和测试波形分析

电路调试过程

图1电路图的PCB板布局如图2所示。根据图2上标注的元器件序号焊接好元器件；检查有源器件的方向是否有错误和电解电容的极性是否接对了，是否有虚焊和短路的地方；用万用表测量输入和输出是否有短路的现象。接下来就要进行调试和功能测试。调试电路的作用就是保证电路中每一部分电路是正常工作的，然后才能在输入端加电去测试。下面介绍本电路的调试过程。

图2  PCB布局

a） TOP层和丝印层

b） 底层

根据前面电路工作原理的分析知，电路大致分成三部分：

（1）EMI整流滤波电路；

（2）输出检测和反馈控制电路；

（3）反激和输出整流滤波电路。调试过程分成三部分：

1.EMI整流滤波电路的调试

EMI整流滤波电路如图3所示。把VF1（见图1）的引脚3（Vcc）短路到地，在输入端上电AC（30±1）V，测量C6两端电压为42±2V，波形如图4所示。如果C6两端没有电压，检查共模滤波电感，整流二极管极性是否接错，其它元器件是否接错或者元器件损坏。

图3  EMI整流滤波电路

图4  输入电压和C6两端电压波形

（CH1：C6两端电压波形；CH4：输入电压波形）

2.输出检测和反馈控制电路

输出检测和反馈控制电路如图5所示。在输出端，即Vout+和Vout-之间加（12±0.1）V，测量IC2（TL431）引脚3的电压，调节VR1，使引脚3的电压达到（2.5±0.05）V；测量IC1（PC817）引脚2的电压为（2±0.1）V，IC1的引脚1的电压为（3.2±0.1）V，把万用表调到二极管档位，测量C8两端，会发出响声。若上述测量结果不在范围之类，检查TL431、光耦和电阻值是否正常。对于光耦PC817而言，在R21的一端和引脚2之间加（1.2±0.1）V，用万用表测量C8两端，会发出响声，否则光耦PC817坏了。

图5  输出检测和反馈控制电路

3.反激和输出整流滤波电路

反激和输出整流滤波电路如图6所示。在变压器一次侧即变压器的引脚1和引脚2之间施加一信号：频率为10kHz，有效值为（3±1）V的正弦波。测得的变压器二次侧输出波形如图7所示。示波器的正极接变压器的同名端，即连接变压器的引脚1和引脚7或者引脚9。通常情况下，在变压器制作完成之后，进行此步的调试，即测试变压器的同名端和匝数比。另外，用万用表测试一下整流二极管是否正常。

图6  反激和输出整流滤波电路

图7  反激变压器一次和二次绕组电压波形

（CH1：一次绕组电压波形；CH2：二次绕组电压波形）

调试电路实际上是根据电源电路组成结构来分析每一部分电路是否正常。如果一个电源没有输出，如何去分析故障的原因？分析电路故障的方法与调试电路的方法基本一致。另外，此电路的调试方法也可以应用到其它电路的调试中。

电路测试

上述过程调试完之后，对电路板要进行功能测试，电路测试仪器整体接线如图8所示。

图8  测试电路连接图

负载既可以是电子负载（动态负载），也可以是电阻负载（静态负载），负载最大功率可调到45W。

按图8所示连接好仪器设备，慢慢增加输入电压到AC 85V，LED1会亮，测量输出电压Vout，输出电压为12（1±2%）V。如不在范围之内，调节VR1，使输出电压达到范围之内。对电源的性能指标进行测试，部分性能指标测试的波形如下：

（1）启动波形：当输入电压AC 200V、输出功率为5W时，输出电压启动波形如图9所示。

图9  输出电压启动波形

由图可知：输出电压的超调量为（12.2-12）V=0.2V，非常小；输出电压的上升时间为6ms（从输出电压的10%上升到90%的时间）。

（2）输出电压波形：当输入电压AC 200V、输出功率为40W时，输出电压波形如图10所示。

图10  输出电压波形

由图可知：输出电压的变化量为（11.8-12）V=-0.2V，输出电压变化百分数（%）=0.2/12×100%=1.67%，非常小。

（3）输出电压纹波：当输入电压AC 200V、输出功率为40W时，输出电压纹波如图11所示。

图11  输出电压纹波

由图可知：输出电压的纹波为124mV，非常小。

（4）VDS波形：当输入电压AC 200V、输出功率为40W时，KA5L0380单片集成芯片的VDS（引脚2和引脚1之间的电压）波形如图12所示。

图12  VDS波形

由图可知：VDS的最高电压为400V，远远小于漏源击穿电压800V。

（5）维持时间：当输入电压AC 200V、输出功率为40W时。切断输入电压，输出电压和输入电压的波形如图13所示。

图13  输入电压和输出电压波形

CH1：输入电压波形；CH2：输出电压波形

由图可知，输出电压下降到90%的时间为89ms，即维持时间为89ms。

来源：《开关电源原理与分析》

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