Flyback开关电源工作原理及测试要点解析

Vce U in
DU NP 1 U 0 U in t in U in ( ) N2 1 Dt 1 Dt
I PK
U inton 2 P0 2I 0 2TS I 0 LPth DtU in (1 Dt )n (TS ton )n
IF : toff
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) / R23 R19/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。
升降压式(Buck-Boost)变换器 Cuk变换器 Zeta变换器
正激式(Forward)变换器 反激式(Flyback)变换器
开关电源 拓扑结构
半桥式(Half-bridge converter)
Sepic变换器
全桥式(Full-bridge converter)
推挽式(Push-pull converter)
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，η 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
U N P U in ( ton I P min ) 0 (t ton ) N 2 LP L2
Flyback工作原理
1. 磁通连续的工作状况
i2
U N P U in ( ton I P min ) 0 (t ton ) N 2 LP L2
Dt U in N 2 ton U in N P toff 1 Dt n ton U0 TS U 0 U in n
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；
缺点：
1. 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； 2. 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。 3. 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电路设计
4. X电容和Y电容的选取 根据IEC 60384-14,安规电容器分为X电容及Y电容：
测试条件：开关机瞬态，AC打火，Surge测 试，输出OLP，输出短路，Dynamic Load。
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，Dynamic Load。
IF : toff
L2 i2 max Uo
U 0 U int on
RL 2TS LP
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。
Fosc=6500/RI(Kohm) （KHz）
导通占空比由sense和FB共同确定 OLP：Vfb>Vth_pl:3.7V OCP：Vsense>Vth_oc:0.75V OVP：Vfb<Vth_0d:0.75V UVP：Vcc<UVLO(on):8.8V
Flyback电路分析和测试要点
7. PWM控制IC/OB2263框图
TS
1
Flyback工作原理
2. 磁通临界工作状况
i2
U N P U in ( ton ) 0 (t ton ) N 2 LP L2
Dt U in N 2 ton U in N P toff 1 Dt n ton U0 TS U 0 U in n
U0 Dt
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。
1 1 Rt Rn exp[B ( )] T 1 Tn 2Uin max 375 Iinrush A 75A Rt ESR( L C ) 5
Flyback电路分析和测试要点
Flyback电路设计
隔离反激电源的结构框图
EMI
整流滤波
变压器
次级整流滤波
输出
开关器件
采样反馈
PWM 控制IC
隔离器件
高压区域
低压区域
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。
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。
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。
L2 i2 max Uo
Flyback工作原理
3. 磁通不连续的工作状况
i2
U N P Baidu Nhomakorabea in ( ton ) 0 (t ton ) N 2 LP L2
NP Vce U in U0 N2 U t 2 P0 I PK in on LPth DtU in
1 P 1 TS
U0 Dt
Vce U in
DU NP 1 U 0 U in t in U in ( ) N2 1 Dt 1 Dt
IF : toff
L2 i2 max Uo
1 1 2 2 LI PK LI P min PoT IPK 2 2
Flyback开关电源工作原理 及测试要点
Prepared By：伍辉平 Date：2012-12-20
目录
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
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
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 Flyback Transformer
DC(90V-375V)
L AC(85V-265V) EMI FILTER N BRIDGE filter
OUTPUT
12V
Transformer
VCC MOSFET
FEDBACK
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
PO UO IO 121.25 W 31.25W PF PF 0.8 0.6 Pin ' 31.25 Irms max A 0.37 A Uin min 85 Fuse 2 Irms max 0.74A Pin '
1 P0 TS
U 0 TS

ton
0
1 U iniP dt TS

ton
0
2 2 2 U in U in ton tdt Lp 2TS LP

t
ton
U 0i2 dt

( t ton )
0
2 2 U0 U in t on NP [ I P max (t t on )]d (t t on ) N2 L2 2TS LP
PWM
BLOCK DIAGRAM
Flyback电路特点
优点：
1. 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；
2. 转换效率高，损失小；
3. 变压器匝数比值较小； 4. 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。
Flyback工作原理
a）VT导通期间
iP (ton )
U in ton I P min I P max LP
b）VT关断期间
i2 (TS ) I 2 max Uo (t ton ) L2
单端反激式变换器

U NP I P max 0 (t ton ) N2 L2

Flyback电路分析和测试要点
6. PWM控制电路 PWM芯片为On-bright OB2263 R6/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100K ohm