温度过高？无法启动？输出纹波过大？开关电源调试常见问题解决

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Killoser

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发表于 2023-11-3 15:42:53

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开关电源（Switch Mode Power Supply，简称SMPS），又称开关电源、开关变换器，是一种高频功率变换装置，是电源的一种。

1、变压器饱和

当变压器（及开关管）在高电压或低电压输入（包括轻负载、重负载或容性负载）、输出短路、动态负载或高温的情况下导通时，通过变压器的电流（和开关管）非线性增长。当这种情况发生时，峰值电流值无法预测或调节，从而导致电流过大，并因过压而损坏开关管。

变压器饱和时的电流波形

容易饱和：

1）变压器电感过大；

2）圈数太少；

3）变压器的饱和电流点小于IC的最大限流点；

4）无软启动。

解决方案：

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上升得更慢。

当前信封

2、Vds过高

Vds 的应力要求：

在最恶劣的条件下（最高输入电压、最重负载、最恶劣环境温度、上电或短路测试），Vds 的最大值不应超过指定规格的 90%。

降低Vds的方法：

1）降低平台电压：减少变压器原、副边匝数比；

2）降低尖峰电压：

1、减少漏感：

当开关导通时，变压器的漏感储存能量，这是产生峰值电压的主要原因。可以通过降低漏感来降低峰值电压。

2、调整吸收电路：

①采用TVS管；

② 使用速度较慢的二极管，其本身可以吸收一定的能量（尖峰）；

③ 插入阻尼电阻可以使波形更加平滑，有利于降低EMI。

3、IC温度过高

原因及解决办法：

1）内部 MOSFET 损耗过大：

开关损耗过高，变压器的寄生电容过高，导致MOSFET的开通和关断电流与Vds之间存在巨大的交叉面积。解决办法：增加变压器绕线距离以减小层间电容，或者如果绕制多层，则在层间加一层绝缘胶带（层间绝缘）。

2）散热不良：

将热量传送到 PCB 的引脚及其上的铜箔占 IC热量的很大一部分。应多涂焊料，并尽可能扩大铜箔面积。

3） IC周围空气温度过高：

IC 应放置在空气流通良好的地方，并应远离零件温度过高的地方。

4、空载、轻载无法启动

现象：

空载、轻载无法启动， Vcc 在启动电压和关断电压之间反复跳变。

原因：

空载和轻载时， Vcc 绕组感应电压过低，进入反复重启状态。

解决方案：

增加Vcc绕组匝数，降低Vcc限流电阻，正确添加假负载。增加Vcc绕组匝数、减小Vcc限流电阻后，如果重载时Vcc过高，请参考稳定Vcc的步骤。

5、启动后无法重载

原因及解决办法：

1) 重载时Vcc太高

负载较重时Vcc绕组的感应电压较高，当Vcc过高并达到 IC 的OVP点时，会触发IC 的过压保护，导致无输出。如果电压升高超过 IC 的承受能力，IC将被损坏。

2) 内部限流被触发

1、限流点太低

如果在重负载和容性负载下限流点太低，则流经MOSFET的电流受到限制而不足，导致输出不足。增加限流引脚电阻和限流点作为补救措施。

2、电流上升斜率过大

如果上升斜率过大，电流峰值会更高，更容易触发内部限流保护。解决方案是增加电感而不使变压器饱和。

6、待机输入功率大

现象：

空载和轻载时Vcc不足。这种情况会导致空载和轻载时输入功率过高，输出纹波过大。

原因：

输入功率过大的原因是当Vcc不足时， IC 进入重复启动状态，经常需要高电压给Vcc电容充电，导致启动电路失效。如果在启动引脚和高电压之间串联一个电阻，此时电阻的功耗会较大，因此启动电阻的功率要足够。

电源 IC 未进入 Burst Mode 或已进入Burst Mode，但Burst频率过高，开关持续时间过长，开关损耗过高。

解决方案：

调整反馈参数，降低反馈速度。

7、短路功率过大

现象：

当输出短路时，输入功率过高，Vds过高。

原因：

输出短路时重复脉冲较多，同时开关管电流峰值很大，导致输入功率过高，开关管电流在内部储存过多能量。漏感，导致开关管关断时Vds较高。

当输出短路时，开关管会因以下两种原因之一而停止工作：

1）通过这种方式触发OCP可以使开关动作立即停止

1. 触发反馈引脚的OCP；

2、开关动作停止；

3. Vcc下降至IC关断电压；

4. Vcc 回升至 IC 启动电压并重新启动。

2) 触发内部限流

使用该方法时，可用占空比受到限制，当Vcc达到 UVLO下限时停止开关动作；然而，Vcc达到UVLO下限所需的时间较长，因此开关动作维持的时间较长，输入功率较高。

1.触发内部限流，占空比受限；

2. Vcc下降至IC关断电压；

3、开关动作停止；

4. Vcc 回升至 IC 启动电压并重新启动。

解决方案：

1) 减少电流脉冲的数量，以便在输出短路时激活反馈引脚的 OCP，从而使开关过程立即停止并减少电流脉冲的数量。这意味着当发生短路时，反馈引脚上的电压应该上升得更快。因此，反馈引脚的电容应保持最小。

2) 降低峰值电流。

8、空载、轻载输出纹波过大

现象：

空载或轻载时Vcc不足。

原因：

当Vcc不足时，振荡器IC会在启动电压（如12V）和关断电压（如8V）之间间歇性地长时间工作，为输出提供短暂的能量，然后长时间停止，导致电容器存储放电。由于没有足够的能量来维持输出稳定，输出电压会下降。

解决方案：

保证在任何负载条件下都能稳定提供Vcc。

现象：

Burst Mode下间歇工作的频率太低，输出电容的能量在该频率下无法保持稳定。

解决方案：

在满足待机功耗要求的情况下，适当提高间歇工作频率和输出电容。

9、过载、容性负载无法启动

现象：

可以轻载启动，启动后可以重载启动，但不能重载或大容性负载启动。

总体设计要求：

无论输入电压是最低还是最低（如10000uF），输出电压必须在20mS内上升到稳定值。

原因及解决方案（如果Vcc在其典型工作范围内）：

下面以容性负载C=10000uF为例进行分析。

根据规范，输出必须在 20 毫秒内升至稳定的输出电压（例如 5V）。

E=0.5*C*V^2

电容 C 越高，在 20 毫秒内从输入传输到输出的能量就越多。

芯片 FSQ0170RNA

如图所示，芯片FSQ0170RNA深色区域的整个面积S就是所需的能量。1）提高峰值限流点I limit ，允许更大的电感电流Id：增加Pin4连接的电阻，内部电流源Ifb的分流更小，并利用PWM比较器作为限流参考电压。正输入电压将上升，允许更多电流通过 MOSFET /变压器，从而增加可用能量。

2）增加首次启动时传输能量所需的时间，即延长 Vfb 上升时间（到达OCP保护点之前）。

延长 Vfb 的上升时间

该 FSQ0170RNA 芯片上的电感电流控制是以 Vfb 作为参考电压，Vfb 电压的波形与电感电流包络成正比。控制Vfb的上升时间可以调节电感包络线的上升时间，从而增加能量传输的时间。

IC的OCP功能是通过感测Vfb何时达到 Vsd （例如6V）来实现的。因此，可以延长 Vfb 的上升时间，以最小化 Vfb 斜率。

当输出电压未达到正常值且反馈引脚电压Vfb已达到保护点时，能量传输时间不足。当负载较重或容性负载时，输出电压上升缓慢，加在光耦上的电压较低，流过光耦二极管的电流较小，光耦光敏管处于高阻状态（容易导通）关闭）较长一段时间。连接至反馈引脚的电容器可通过 IC 的内部电流源更快地充电。如果Vfb在这段时间内上升到保护点（例如6V），MOSFET将被关断。由于输出无法达到正常值，导致启动失败。

解决方案：

当输出电压达到正常值时，反馈引脚电压Vfb仍然小于保护点。使 Vfb 远离保护点并缓慢爬升，或减小 Vfb 上升的斜率，以使输出有足够的时间上升到其通常值。

1. 增加反馈电容（C9）会降低 Vfb 从 D 线到 A 线的上升斜率，如图所示。然而，如果反馈电容太大，则会干扰正常工作条件，减慢反馈速度，并增加输出纹波。因此，电容不能波动太大。

2、由于方法A的不足，在反馈引脚并联稳压管（D6，3.3V）串接一个电容（C7）。当Vfb小心时：这种方法不会干扰正常工作，因为B 行中指出。

1）加大反馈脚电容（包括稳压管串电容），对于容性负载很大的问题影响最小；

2) 提高峰值电流限制点I limit ，以及稳态OCP点。在容性负载和最小输入的情况下，必须检查变压器是否会饱和。

3）若要保持限流点，应增大R10C11；然而，在超级电容负载（10000uF）的情况下，5Vsb的上升时间可能会增加到20mS以上，因此应该检查该方法，看看动态响应是否受到太大影响。;

4）431的偏置电阻R10太小，并联431的C11要大一些；

5）为了保证上升时间，可以同时采用增加OCP点和增加R10×C11的方法。

10、空载、轻载输出去抖

现象：

当输出空载或轻载时，输入电压关闭，输出（如5V）可能出现如下图所示的电压弹跳波形。