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反激式开关电源理论与原理解析

Chapter1 反激式开关电源电路的测试记录（一）

原文链接：https://blog.csdn.net/ice_cream23333/article/details/124392130

各种小功率家电器件中使用更多的是反激式开关电源电路，并且随着功率器件的不断发展，开关电源电路相关产品也在更新换代，比如目前比较流行的氮化镓充电器。由于课题组也在做氮化镓HEMT器件（更多的是在芯片设计和工艺部分，电路部分=没有），于是打算做个类似充电器试试，就想着先从依托于Si MOS管的反激式开关电源电路做起吧！

作为一个本科专业啥啥都学啥啥都学不精通的电路小白，到了研究生阶段就开始了无人指导的自我摸索（人菜瘾也不是很大，主要是太菜了）。测试的过程可以说是心惊胆战，每次上电都要做一会心理建设，几乎每次电路都会炸，炸完跟自己说没事没事，我还有保险管和芯片。

言归正传，电路图借鉴下面这位博主的电路图，几乎没有改动

反激式开关电源理论与原理解析_暖暖的纠结的博客-CSDN博客_反激式开关电源

一、测前准备

第一步：了解整个电路的工作原理并对照原理图中各个器件的datasheet了解分立器件工作原理；

第二步：列出设计参数并根据所需设计指标进行其他各个参数的计算，设计指标如下：

1.交流电压输入范围：110-245AC；频率：50/60Hz；

2.开关频率：电源管理芯片采用CR6842，选定Rin为26K，稳定工作下开关频率为67KHz；

3.输出电压/电流：12V/2A；

4.电源效率：85%；

5.损耗分配因子Z：0.5；

6.空载功率损耗：根据MOS管datasheet为1000mW；

7.输出纹波电压：Vripple ≤ 200mV

各个参数的计算参考如下博主文档，电路测试完再做详细记录

详细设计步骤丨精通反激式开关电源设计_精通开关电源设计-硬件开发文档类资源-CSDN下载

第三步：在立创EDA上画原理图和PCB板图，打板买器件；在这期间对每一小部分用multism仿真跑一下，但是效果不是很好，在摸索好用且符合理论的电路仿真软件；等板子和器件到了之后焊板子。

这里还出现了一些问题：当时我计算了变压器的匝数比、电感值、线径和骨架型号，但是忘记骨架的尺寸和立创尺寸不一样就导致需要靠洞洞板再把变压器连接在一起（考虑不够周到），实际电路连接如下：

第四步：实验室没有可调交流源，直接接市电（十分十分十分危险，上电瞬间可能会出现炸电容、炸电阻、炸保险管的现象，上电瞬间不要凑近电路板）

二、测试

1.测试条件：220V市电

2.测试注意事项：全程一定要带高压绝缘手套呀！！！！

2.测试记录：

测试前检查电路中是否有短路和断路的情况（好几次测试前没有检查，导致不必要的炸器件）

（1）TEST1：调节滑动变阻器，使LTL431 ref端电阻和地之间电阻为2.7kΩ以达到2.5V参考电压，上电，R20压敏电阻10D271K炸掉，同时保险管裂开，原因10D271K的耐压只有175V，零线火线瞬间短接。不知道当时怎么想的，于是又把原边电路中所有的电阻和电容的耐压值检查了一遍，其他都耐压在300V AC以上（以后买器件吸取教训）。重新买了10D821K（耐压820V），但我一想不用压敏电阻也可以，市电一般比较稳定，就在等10D821K的过程中继续测试了；

（2）TEST2：换上新的压敏电阻和保险管，上电，板上LED灯不亮（通过LED灯的亮度来反映输出电压的大小），猜测是哪里有断路，想摸一下是不是有什么地方发热，碰到MOS管附近被电了一下，有点害怕不敢测了，正好因为复试教研室封楼了，搁置了一周。

（3）TEST3：解封当天晚上又把电路重新测了一下是否哪里有断路或者短路，发现电路连接很正常，上电发现大概4、5秒后LED灯亮了，但是在明暗交替变化，输出电压在6-14V变化，这已经不叫纹波了，这叫电路工作不正常吧。断电后LED灯还在亮，大概半分钟后熄灭，有点开心，起码是有点反应了，打算第二天上午再测。放在试验台上放电。

（4）TEST4：直接上电测试，结果LED灯又不亮了。天老爷，这是为啥？？？？冷静过后我想了一下，或许是哪里有些接触不良？因为之前测过短路断路了，我能想到的只有变压器刚开始接的几根线可能不太牢固，就换了更粗的线（但测试时还是会不停的挪动，内部铜丝会断，并且万用表碰到铜丝裸露处会有小火花，大电压就是大火花，终究也不是万全之策，只能等到重新打板了），测试之后LED灯就亮了，我以为我的电路板终于进入了正规测试阶段了。

a）万用表电压AC档：测试输入交流电压：231V AC，频率未测（没想起来测）；测试整流桥输入端：230V AC左右；变压器原边绕组两边电压、辅助绕组两边电压、副边绕组两边电压几乎测不到，后来原因分析：工作频率为67KHz，超出了万用表的检测频率范围（这个原因会一小点电压都没有吗？？）；测量MOS管VGS、VDS电压：这时候LED灯灭了，未知原因。

b）万用表电压DC档：测试滤波电容两端电压：317V（未用示波器测波型）；还来得及测更多数据LED灯就灭了。

断电检测电路是否出现断路/短路情况，上电测试上述特性，发现MOS管VGS为0，电源管理芯片CR6842脚3 VIN、脚7 VDD电压均为0，又把电路原理跟师兄盘了一遍，发现电路根本就没有启动，猜测是CR6842的问题。断电，第二天测试。

（在测试中还不小心表笔碰到了整流桥的AC和DC端、MOS管附近不知道是哪里，也炸了几个保险管，或者一上电保险管就炸了，都未知原因）

（5）TEST5：把CR6842各个引脚测试发现上述两脚确实与脚1 GND短接了，换芯片，上电测试，还是不行，又把TEST4的过程走了一遍，也没测出来啥，反正就是不亮，滤波电路之前数据都是对的，在想是不是上次MOS管给击穿了？我觉得不应该这么脆弱，查datasheet，把MOS管拆下来跟正常MOS管对比（老难拆了）。很奇怪，MOS管断电后接到电路中，VDS有个很小的电压：0.048V，查看datasheet，VGS=0，漏电流IDS=0.5uA，这么算下来MOS管关断时Roff=96kΩ也合理。但是把MOS管从电路中拆下来后，VGS=VDS=0，新的MOS管也这样，我找不到原因了！！！已经开始摆烂了，算了，MOS管既然是好的，再装上吧，怪贵的。

（断电测试反馈电路R18、R19接入电路中电阻发生变化，拆下来阻值跟额定值一样，为什么这么奇怪啊！是因为有个可变电阻R21吗？把R21拆下来，R19另一端用飞线直接接地，R18、R19电阻还是变化的，难道是因为LT431参考端REF的原因？未解）这个过程我忘记是在哪次测试中改变的了，懵懵的！

直接上电测试，可以了！！！！！就匪夷所思，我的MOS管真的没有虚焊，前后测试我已经检查后多遍了，太难受了！！！再也不测了！！

（6）TEST6：示波器测试VGS，直接用示波器测试线正极接芯片CR6842 8脚 GATE，地线接MOS管source端，上电瞬间，MOS管源端电阻R11 0.3Ω电阻炸的黢黑，保险管裂掉，CR6842 脚2 FB和脚7 VDD以及脚1 GND直接短路，芯片击穿。

原因及解决办法参考以下博主：示波器不能直接接在有火线和零线的电路中！！！需要隔离之后才能接入！！！！

示波器测试市电电路意外“炸机”?_硬件大熊的博客-CSDN博客

（7）TEST7：更换保险管、仅剩的一个CR6842、电阻R11，又调整了反馈电路中的R18、R19阻值（原理图中是调整后的），重新加入了可变电阻器R21，直接上电，上电瞬间R11再次炸的黢黑（上电之前忘记重新检测电路短路和断路了，这种情况肯定是因为哪里短路了吧！！！切记！）。

最后一个芯片没了，得重新买电源管理芯片了，是我的使用方法不对呢，还是这个芯片它就是不行？等下一阶段的测试。

总结

在测试过程中，会有大大小小的测试问题，上述大概能作为一个经验吧！

Chapter2 反激式开关电源电路测试记录（二）

原文链接：https://blog.csdn.net/ice_cream23333/article/details/124654014

各种小功率家电器件中使用更多的是反激式开关电源电路，并且随着功率器件的不断发展，开关电源电路相关产品也在更新换代，比如目前比较流行的氮化镓充电器。由于课题组也在做氮化镓HEMT器件（更多的是在芯片设计和工艺部分，电路部分=没有），后续有做氮化镓开关电源来验证氮化镓HEMT器件的性能的想法，因此想从Si基MOS管反激式开关电源电路入手，逐步实现替代。

组内无相关专业及经验人员，于我而言设计和测试都是从“0”开始。继上次测试之后，等器件的间隙又重新检查了一下电路图，并重新核对了以下设计参数，发现有如下几处错误和疑问，需要修改和答疑。

图1.测试（一）原理图

一、上次测试出现的错误和疑问
1.错误
（1）多次测量发现保险丝容易过流快速熔断，反复拆焊、焊接容易导致电路板焊盘脱落，将保险丝更换成保险丝插座，无需反复焊接、拆焊。

（2）之前原理图中变压器辅助绕组和副边绕组均接反，如图1所标示同名端，当初级绕组上(1)正下(3)负时，MOS管导通，次级绕组也为上(8)正下(7)负，二极管D5也导通，显然不符合反激式变换器的原理，有点正激那意思（对正激只有初步了解，详细了解后再做详细讨论）。同时，辅助绕组上(5)负下(6)正，此时辅助绕组直接给芯片CR6842供电，而不是在截止时采用次级绕组反射电压感应过来的电压来供电，这就导致CR6842供电电压过大，使芯片很容易就烧坏。

这里，我突然有一点点好奇：所以我这样的接法，整个电路到底是怎么工作的？之前测试时LED灯是一直在亮着的，只不过是亮度会有时候明暗交替，这说明电源管理芯片起码起到了控制MOS管开关的作用的，百思不得其解！！！（反激式变换器电路中变压器接成正激式电路让开关管导通时原级绕组把能量传递给次级绕组，次级输出回路有功率输出，会出现什么样的情况呢？）

注：变压器原边绕组Np：副边绕组Ns：辅助绕组Na=110：14：16。若按照如图所示接法，当初级绕组上(1)正下(3)负时，MOS管导通，次级绕组感应电压，二极管D5导通，副边回路导通，辅助绕组感应电压给芯片CR6842供电。当原边绕组输入AC220V时，整流滤波后电压为311V，副边绕组感应电压约为39V，辅助绕组感应电压约为45V（CR6842 VDD引脚最大承受电压为40V），这也是之前测试中CR6842多次VDD和GND击穿短路的原因。

（3）查看CR6842应用指导书，经计算发现起到过流保护的R11电阻较小。计算初级绕组峰值电流Ip=0.67A，CR6842芯片Sense引脚阈值电压最大为0.9V，则R11=0.9V/0.67A=1.34Ω，可选用阻值为1.4Ω的电阻(选择使用2个2.26Ω电阻并联)。

（4）CR6842引脚5 RT起到过温保护的作用，不用此引脚时需加一个20K电阻接地屏蔽此功能。用到此引脚需加一电阻R23和热敏电阻NTC R24来设置。RT引脚内接70uA电流源，RT端电压降到1.065V以下并持续100us后，芯片Gate彻底停止驱动（锁死），电源输出关闭，保护系统，因此电阻阻值R23+R24=1.065V/70uA=15.21K。

（5）原理图中光耦3脚三极管发射极和电容C7相连接GND，注意此时应该接CGND，和原边绕组一侧热地形成回路，但依据图1原理图制作的PCB板光耦3脚却接了GND，导致无法形成正确的回路，选择用飞线重新接。

2.疑问
（1）R8的作用是什么？电路刚开始工作时，MOS管开启时电流逐渐增大，SENSE引脚电压初始为0V，则R8 100Ω和R11 1.4Ω并联，起到分流的作用，当MOS管达到峰值电流0.67A时，R8上电流为9.25mA，SENSE引脚上电压被拉高到0.925V，过流保护启动。猜测是为了防止电阻R11短路或断路时过流导致芯片SENSE引脚击穿的。

Solution：CR6842手册中说明在开关管导通瞬间会有脉冲峰值电流，如果此时采样电流值，会导致错误的控制，芯片内置前沿消隐电路避免错误控制的发生。若Sense端的电流反馈信号前沿噪声干扰持续时间超过内置前沿消隐电路时间，那么可考虑外接RC网络滤除干扰。RC取值不宜过大，否则可能引起电流反馈信号失真过大，导致系统启动或输出端短路时MOS管源漏端电压VDS过高等等系统异常现象。建议：R≤680Ω，C≤1000pF。

（2）CR6842 Gate端输出高电平8V，低电平为0.32V，MOS管阈值电压为3V（2.1-3.9V），R7电阻为27Ω，若输出电流IO=50mA，那R7导致Gate端压降为1.35V，那么MOS管可以正常导通和关断。Gate端静态电压为±20V，意思是CR6842 Gate脚电压不超过20V，不低于-20V就可以吗？

（3）反馈环路光耦的工作原理：反馈环路中光耦CT817C到底是做线性光耦使用还是做开关光耦使用呢？如果是做线性光耦使用，那么CR6842芯片的FB引脚电压应该怎么适配呢？如果是做开关光耦使用，那又如何适配呢？

（4）反馈回路CR6842芯片FB端：FB端电压直接跟光耦三极管集电极相连，那如何实现反馈呢？

3.针对反馈回路的疑问进行的测试
在不加变压器的情况下，仅对如下电路进行测试：

图2（a）.光耦反馈电路FB端电压测试

测试电路如图2(a)所示：

测试条件：12V电压通过一100Ω电阻R1加在VIN端；同时18V电压给VDD供电；12V电压源加在回路输出端模拟输出电压输出。

测试结果：

（1）R15为1K时

当输出端电压给固定12V时，调节R21为0K，理论上LTL431参考端分压为12V/(10k+1.5k)*1.5K= 1.565V，实际测得参考端电压为1.583V，因为电阻有误差出现较小误差，此时电阻R15上电压为0V，说明431未导通，光耦二极管上无电流经过，次级三极管截止，则FB电压为芯片的开路电压（典型值6V），实际测得为6.1V；慢慢增大R21使R19、R21电阻之和为2.64K左右，理论上LTL431参考端分压为12V/(10k+2.64k)*2.64K=2.506V，实际测得电压为2.527V，此时电阻R15上电压为8.87V，说明431导通，光耦二极管上有电流经过，IF=8.87V/1K=8.87mA，次级三极管导通，则FB电压被拉低到GND，实际测得0.167V，为三极管导通时的饱和压降；继续增大R21使R19、R21电阻之和从2.64K-10.7K变化，VREF逐渐增大但不再符合电阻分压规律，从2.506V-2.634V变化（猜测原因是C11、R17 RC补偿网络起到了稳压作用，将VREF基本稳压在大于2.5V，保证431的导通），在增大的过程中，电阻R15上电压为8.9V左右（从8.87-9.01增大），说明431一直处于导通状态，光耦二极管电流IF有较小的增大，但不排除测量误差，光耦三极管也一直处于导通状态，FB一直被拉低到地，为0.167V。

（2）R15为1.5K时

调节R15的阻值，以此来改变通过光耦二极管的正向导通电流IF，但R15阻值无论怎么改变，当431导通时，其两端电压均为8.9V左右，而FB端电压总被拉低到地。

（3）在FB端添加上拉电阻测试

图2（b）.光耦反馈电路FB端电压上拉电阻测试

如图2(b)，在FB端加100Ω上拉电阻接5V供电。上拉电阻两端的大小可以反应光耦三极管集电极电流IC的大小。

按照上述步骤测试，发现431的导通过程依然如上，参考端电压一旦超过2.5V 431即导通，光耦二极管有正向电流，并且R15增大，IF减小，但IF较小时，占空比会增大，反而使光耦三极管集电极电流IC增大。比如，当IF=8.9mA时，IC=17.75mA左右，占空比为195%左右；当IF=5.93mA时，IC=20.25mA左右，占空比为341%左右，差别还是比较大的，可参考数据手册。由此可知，只要R15确定，431一旦导通，正向导通电流IF便是固定的，输出电压的增大并不能使431的导通程度增大，也不能使光耦IF增大，则FB端电压只有两个值，即431导通时，即输出电压大于12V时为0.167V，431截止时，即输出电压小于12V时为开路电压6.1V。

（整个测试过程中，无法判断芯片是否正常工作，因为Gate端无电压输出，但供电都正常，芯片没有正常工作吗？为什么呢？想不明白！！！）

综上所述，光耦CT817C和LTL431所组成的电压反馈电路并不能起到线性调节光耦正向导通电流的作用，只能起到控制光耦二极管处于导通与截止两个状态，从而控制FB端处于高电平与低电平两个状态。

二、修正后的测试
按照修改后的原理图修正板子，继续测试。

修改后的原理图如图3所示：

图3.修正后原理图

接入市电之前，对电路板进行哪里短路、断路测试，无异常。直接接入220V市电后，板子还是没有正常输出电压，LED灯不亮。

1.测试滤波电容C2两端电压，为312V左右，正常，市电测试为220AC；

2.测试CR6842 VIN引脚电压为5.7V左右，VDD引脚电压为10-13V跳动，Gate引脚无电压输出，说明CR6842未正常工作。

3.测试变压器原边绕组电压，无电压；

4.断电测试C2两端电压在慢慢下降，证明CR3842确实为正常起振。

再次查看芯片手册，发现启动时需要自举电容C5充电到16.8V，在启动过程中，VDD电压不得低于12.4V，否则芯片会关断输出。测试中VDD也只有10-13V，是不是这个原因呢？但调整什么可以将自举电容C5充电到16.8V呢？

尝试增大或减小启动电阻的值，或者修改启动方式。

1.串联一个510K/250V的电阻以此增加启动电阻，VIN无电压，VDD无电压，启动电阻上电压为311V左右，说明启动电阻过大，没有达到启动电流；

2.将其中一个750K电阻换成510K电阻减小启动电阻，VIN电压为17-21V变化，VDD电压为12-15V变化，万用表AC档测Gate有2.5V左右电流，但是在跳动，规律是0、0.1左右、1.2左右、2.5左右，接着跳动，是不是说明芯片启动了呢？芯片正常工作应该输出8V高电平，0.3V低电平。

3.修改启动方式，将750K串联510K启动电阻直接接在VDD引脚，或者两个750K电阻串联在VDD引脚，VDD和VIN电压相同为12-16.4V之间跳动，万用表AC档测Gate有2.5V左右电流，但是在跳动，规律是0、0.1左右、0.8、0.9、1.2左右、2.5左右，依然没有输出电压。

4.测试MOS管VGS和CR6842 Gate端电压几乎一样，VDS之间电压为311.5V左右，说明开关管没有导通，原边绕组上无电流。

实在不知道问题出在哪了，芯片工作电压也正常，为什么不能正常工作呢？还是因为启动电阻太大了吗？导致VDD上自举电容没有充到16.8V，没有正常启动吗？（明天改成两个510K串联再试一下吧！）

缓一段时间再测，如果电路后续能正常工作的话，就出一个详细的计算过程。

总结
不知道问题出在哪了，

Chapter3 UC3842电源管理芯片详细解读

原文链接：https://blog.csdn.net/ice_cream23333/article/details/124391921

UC3842是AC-DC反激式变压器中常用的电源管理芯片，其具有较低的启动电流（<1mA），并且可以在高达500KHz频率下工作，在输出端输出可脉宽调制的PWM波来驱动NMOSFET，并且在MOS管关断时具有较低的功耗。

一、管脚描述（以8脚封装为例）

1.COMP(Compensation)：误差放大器补偿引脚。内接误差放大器E/A的输出端，可通过连接外部补偿组件(如阻容网络)来调整误差放大器的输出。误差放大器内部限流，可以通过将COMP引脚接GND来设置零占空比。

2.VFB：电压反馈引脚。误差放大器的反相输入端，通常接开关电源电路的反馈电路。

3.ISENSE：初级绕组电流感应引脚。PWM比较器的同相输入端，与误差放大器的输出信号经过二极管和电阻分压后的信号做对比，控制PWM锁存输出低电平使MOS管关闭。通过在此引脚串联一个电流感应电阻到地，可以将电流转换为电压，使芯片工作在电压模式控制状态下。

4.RT/CT：振荡器固定频率设置引脚。从此引脚连接定时电容CCT到GND引脚，从此引脚连接定时电阻RRT到VREF引脚，设置电容CCT的充放电时间，二者决定了振荡器产生的时钟信号频率。

5.GROUND/PWRGND(14脚封装有此脚)：模拟地/电源地。

6.OUTPUT：MOSFET栅极驱动端。

7.VCC/VC(14脚封装有此脚)：电源引脚。OUTPUT栅极驱动电路的偏置电压输入端，同时作为整个芯片的供电输入端。

8.VREF：5V参考电压引脚。VREF用于通过定时电阻RRT向振荡器定时电容器CCT提供充电电流。

二、功能框图及具体工作原理

图2.UC3842功能框图

注：在8引脚封装中，VCC和VC引脚接在一起引出VCC，GND和PWRGND接在一起引出GND。