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TOP204YAI單片開關電源設計出現問題,請教高手指教!

新手一枚,設計一款TOP204YAI單片開關電源。

參照電路圖設計的,輸入AC85~265V,輸出15V2A。

微信圖片_20170618214713

元件型號參數如圖,部分改動:1)分壓電阻50K,實際采用51K;2)光耦NEC2501,因CTR均為80~160%,NEC2501反向擊穿電壓為40V,故實際采用JC817A,反向擊穿電壓為70V。

PCB板設計圖如下:

微信圖片_20170618215437

微信圖片_20170618215800

微信圖片_20170618220021

高頻變壓器經計算后,確定為EE25磁芯,Np=121T\Ns=10T\Nf=8T,初級繞組Φ0.25mm、次級繞組Φ0.5mm兩股并繞、反饋繞組Φ0.5mm。

剛開始,上電后有輸出15.25V,用負載儀測試,由空載逐漸調整,電流達到1.5A時工作正常,就想讓它先工作一段時間再調整至2.0A試試,結果工作不到3分鐘,就出現TOP204YAI發燙(根據許多資料顯示其不應該發燙,有些資料顯示其自身的散熱片就能夠散熱,而且我還加了散熱片,比輸出整流二極管散熱還大,結果是TOP204YAI發燙而MUR610只是一點微微發熱),具體情況是:空載時輸出電壓在12.3~14.5之間跳動,帶負載2A時,電壓顯示在1.25~1.78V之間跳動、電流顯示0~0.25A跳動,且高頻變壓器發出“吱……吱……”有規律的一高一低的噪音,輸出指示燈(LED)也是跟隨噪音一閃一閃的。關掉后重新上電,就一直是跳動無法恢復剛開始的狀態了。

懷疑過高頻變壓器,又重做了高頻變壓器,匝數未變,線徑加大了,分別為Φ0.45mm、Φ0.6mm兩股并繞、Φ0.5mm,也是一樣的情況。

隨后懷疑功率器件TOP204YAI,更換;輸出整流MUR610,更換;幾乎所有元件均更換了也是一樣的,始終無法恢復剛開始的狀態。上傳的PCB板也是重新設計過三次的。

百思不得其解,請教高手,這個問題出在何處?

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2017-06-18 23:00
補充一點情況:關斷電源時,輸出電壓并非直接歸0,而逐漸降低,大概近50秒時還有0.6V左右的電壓,且下降越來越緩慢,歸0大概需要10分鐘左右時間。
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2017-06-19 18:03
S腳布線有問題。TOP電源布線要求:S引腳的引線應該非常短,旁路電容應盡可能靠近S和C引腳,同時,S腳應單點接地,以避免主電路的工作電流對控制信號造成干擾。
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2017-06-20 15:20
@ymyangyong
S腳布線有問題。TOP電源布線要求:S引腳的引線應該非常短,旁路電容應盡可能靠近S和C引腳,同時,S腳應單點接地,以避免主電路的工作電流對控制信號造成干擾。

謝謝!感覺S腳布線也已經很短了,幾乎不能再短的地步了,也參照了好多資料來看,可就是問題始終無法解決。

比如《單片開關電源的設計》(沙占友著)中的圖:

感覺我的布局和距離都比這個資料上的要短和近得多了呢。包括環路面積也是挺小的了。

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2017-06-20 15:33
@anjunly_zhong
補充一點情況:關斷電源時,輸出電壓并非直接歸0,而逐漸降低,大概近50秒時還有0.6V左右的電壓,且下降越來越緩慢,歸0大概需要10分鐘左右時間。

再補充一些與詳細說明情況:

1、輸入整流后的直流電壓311V,十分穩定。

2、輸出電壓波動如前所述。

3、反饋繞組整流后和光耦(C)端的電壓是5.8~8.9V之間跳動,

4、高頻變壓器發出的“吱……吱……”聲音一高一低,與光耦(C)端電壓高低一致。

5、TOP204YAI(C)腳電壓為5.11V,較穩定無變化。

6、輸出電壓在關掉輸入AC電源之后,不是直接掉電,而是緩慢降下來,帶載與不帶載是一樣的。

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2017-06-20 15:59
@anjunly_zhong
謝謝!感覺S腳布線也已經很短了,幾乎不能再短的地步了,也參照了好多資料來看,可就是問題始終無法解決。比如《單片開關電源的設計》(沙占友著)中的圖:[圖片]感覺我的布局和距離都比這個資料上的要短和近得多了呢。包括環路面積也是挺小的了。
第2個要求S腳要單點接地,PCB反饋供電的地沒有跟S腳的地分開。另外,核對一下反饋供電繞組同名端,輸出端加個假負載試試。
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2017-06-20 17:21
@ymyangyong
第2個要求S腳要單點接地,PCB反饋供電的地沒有跟S腳的地分開。另外,核對一下反饋供電繞組同名端,輸出端加個假負載試試。
謝謝!S腳是單點接地的呢。好的,回頭帶個假負載試試。
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2017-06-20 17:55
@anjunly_zhong
謝謝!S腳是單點接地的呢。好的,回頭帶個假負載試試。
你這不是單點接地,輔助供電和S腳的地沒有分開。

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2017-06-20 21:17
@ymyangyong
你這不是單點接地,輔助供電和S腳的地沒有分開。[圖片]

哦!已經切斷那條線,并用導線跨接成單點接地了。

帶上假負載(10歐的電阻,正常計算15V/30W應該是7.5歐,先不急著用足功率),結果故障依舊。輸出端電壓是0.0V、0.0V、0.3V、0.6V、0.8V、1.2V、1.3、1.5V左右(不好意思具體小數點2位以后的數字沒留意)很有規律的跳動。與之前的情況是一樣的。

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2017-06-20 21:33
@ymyangyong
你這不是單點接地,輔助供電和S腳的地沒有分開。[圖片]

無意中又發現一個問題:

這是無意中發現的,因為之前取下了光耦,切斷與跨接線后忘了安裝光耦,在無光耦的情況下,試了機,然后發現不對就安裝上光耦再試,結果情況是一樣的。也就是說在有與無光耦的情況是一樣的,根據這樣的情況,我想應該問題出在反饋電路上,也就是光耦無反饋。

奇怪的是,第一次焊接安裝好試機,一切正常呢,輸出電壓15.25V,帶負載也沒問題,雖然是只逐步增加負載到1.5A就暫停了,本想讓其工作一段時間后再增加到2A測試。就在這個時候,大概3分鐘左右出現故障。再后來就一直這樣的故障。

還有,更奇怪的是:三次設計的PCB板,都是如此的問題,每次都是用新設計的PCB板時正常,一會兒出現故障,然后就再也無法恢復,再如何換板子和元器件都是一樣。真是怪事呀,每次用設計的新板正常一會兒。特別說明:每次新設計的PCB板,測試正常大概幾分鐘,然后不管是換元器件還是PCB板都是一通電開機就是故障情況,始終無法出現剛開始時的正常一會兒的情況。

真是奇怪了!!!百思不得其解呀!!!

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張嘉華
LV.2
11
2017-06-21 11:10
@anjunly_zhong
無意中又發現一個問題:這是無意中發現的,因為之前取下了光耦,切斷與跨接線后忘了安裝光耦,在無光耦的情況下,試了機,然后發現不對就安裝上光耦再試,結果情況是一樣的。也就是說在有與無光耦的情況是一樣的,根據這樣的情況,我想應該問題出在反饋電路上,也就是光耦無反饋。奇怪的是,第一次焊接安裝好試機,一切正常呢,輸出電壓15.25V,帶負載也沒問題,雖然是只逐步增加負載到1.5A就暫停了,本想讓其工作一段時間后再增加到2A測試。就在這個時候,大概3分鐘左右出現故障。再后來就一直這樣的故障。還有,更奇怪的是:三次設計的PCB板,都是如此的問題,每次都是用新設計的PCB板時正常,一會兒出現故障,然后就再也無法恢復,再如何換板子和元器件都是一樣。真是怪事呀,每次用設計的新板正常一會兒。特別說明:每次新設計的PCB板,測試正常大概幾分鐘,然后不管是換元器件還是PCB板都是一通電開機就是故障情況,始終無法出現剛開始時的正常一會兒的情況。真是奇怪了!!!百思不得其解呀!!!
檢查431的參考電阻過大,無法正常工作。431有個最低的工作電流。
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2017-06-21 12:30
@anjunly_zhong
無意中又發現一個問題:這是無意中發現的,因為之前取下了光耦,切斷與跨接線后忘了安裝光耦,在無光耦的情況下,試了機,然后發現不對就安裝上光耦再試,結果情況是一樣的。也就是說在有與無光耦的情況是一樣的,根據這樣的情況,我想應該問題出在反饋電路上,也就是光耦無反饋。奇怪的是,第一次焊接安裝好試機,一切正常呢,輸出電壓15.25V,帶負載也沒問題,雖然是只逐步增加負載到1.5A就暫停了,本想讓其工作一段時間后再增加到2A測試。就在這個時候,大概3分鐘左右出現故障。再后來就一直這樣的故障。還有,更奇怪的是:三次設計的PCB板,都是如此的問題,每次都是用新設計的PCB板時正常,一會兒出現故障,然后就再也無法恢復,再如何換板子和元器件都是一樣。真是怪事呀,每次用設計的新板正常一會兒。特別說明:每次新設計的PCB板,測試正常大概幾分鐘,然后不管是換元器件還是PCB板都是一通電開機就是故障情況,始終無法出現剛開始時的正常一會兒的情況。真是奇怪了!!!百思不得其解呀!!!
幾分鐘出現問題應該是芯片過流或者過溫保護了。反饋部分、變壓器原邊電感量、同名端等要檢查一下。
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2017-06-21 12:53
@張嘉華
檢查431的參考電阻過大,無法正常工作。431有個最低的工作電流。

謝謝!已經考慮過這個問題,也調整過相關電阻,結果是故障依舊。

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2017-06-21 13:09
@ymyangyong
幾分鐘出現問題應該是芯片過流或者過溫保護了。反饋部分、變壓器原邊電感量、同名端等要檢查一下。

嗯,也曾分析過,剛開始測試時正常,幾分鐘后出現故障,確實是芯片發熱,所以分析是過溫或過流保護。但很快否定了,因為如果是這類問題,那么在冷卻之后重新開機,應該是正常的,再過幾分鐘出現同樣故障。但不是這樣的情況,正如前所述的,是不管如何開機測試,只要一通電開機就是故障現象。這個時候不管更換任何元器件,故障依舊,沒任何好轉情況。

另外,再補充說明一下情況:噪音與電壓升降變化頻率大概是1Hz左右,很有規律,噪音與電壓變化時序是:0→低→高→低→0……不斷循環(每次電壓在0V時,大概噪音6次后才開始升降變化),根據這種情況分析,應該是TOP204芯片沒啟振,曾無意在沒安裝光耦的情況下通電開機,故障一樣,那么說明可能故障在反饋電路上。也曾考慮是變壓器的問題,重新繞制了變壓器(原邊/初級匝數121,電感量1.8mHz,反饋繞組8匝,副邊/次級繞組10匝,最先發貼也已說明。同名端如圖,應該沒錯,也測試過),也是一樣的。

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hylylx
LV.9
15
2017-06-21 14:43
@anjunly_zhong
哦!已經切斷那條線,并用導線跨接成單點接地了。[圖片]帶上假負載(10歐的電阻,正常計算15V/30W應該是7.5歐,先不急著用足功率),結果故障依舊。輸出端電壓是0.0V、0.0V、0.3V、0.6V、0.8V、1.2V、1.3、1.5V左右(不好意思具體小數點2位以后的數字沒留意)很有規律的跳動。與之前的情況是一樣的。
雖然這應該不是問題的關鍵,但是你這種操作意義不大,斷開位置和跨接位置都不是理想的位置。
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hylylx
LV.9
16
2017-06-21 14:48
@anjunly_zhong
哦!已經切斷那條線,并用導線跨接成單點接地了。[圖片]帶上假負載(10歐的電阻,正常計算15V/30W應該是7.5歐,先不急著用足功率),結果故障依舊。輸出端電壓是0.0V、0.0V、0.3V、0.6V、0.8V、1.2V、1.3、1.5V左右(不好意思具體小數點2位以后的數字沒留意)很有規律的跳動。與之前的情況是一樣的。

圖中紅框是咋回事

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2017-06-21 14:57
@hylylx
雖然這應該不是問題的關鍵,但是你這種操作意義不大,斷開位置和跨接位置都不是理想的位置。
謝謝!煩請告知一下理想的方式方法!
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2017-06-21 16:45
@hylylx
[圖片]圖中紅框是咋回事
紅框內只是縮小的接觸面而已。
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2017-06-21 18:29
@anjunly_zhong
嗯,也曾分析過,剛開始測試時正常,幾分鐘后出現故障,確實是芯片發熱,所以分析是過溫或過流保護。但很快否定了,因為如果是這類問題,那么在冷卻之后重新開機,應該是正常的,再過幾分鐘出現同樣故障。但不是這樣的情況,正如前所述的,是不管如何開機測試,只要一通電開機就是故障現象。這個時候不管更換任何元器件,故障依舊,沒任何好轉情況。另外,再補充說明一下情況:噪音與電壓升降變化頻率大概是1Hz左右,很有規律,噪音與電壓變化時序是:0→低→高→低→0……不斷循環(每次電壓在0V時,大概噪音6次后才開始升降變化),根據這種情況分析,應該是TOP204芯片沒啟振,曾無意在沒安裝光耦的情況下通電開機,故障一樣,那么說明可能故障在反饋電路上。也曾考慮是變壓器的問題,重新繞制了變壓器(原邊/初級匝數121,電感量1.8mHz,反饋繞組8匝,副邊/次級繞組10匝,最先發貼也已說明。同名端如圖,應該沒錯,也測試過),也是一樣的。
431和光耦換過沒有?
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2017-06-21 21:07
變壓器空氣氣息是否夠?氣息不夠磁芯飽和也會出現這些現象。
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bobo13
LV.5
21
2017-06-21 22:55
@anjunly_zhong
嗯,也曾分析過,剛開始測試時正常,幾分鐘后出現故障,確實是芯片發熱,所以分析是過溫或過流保護。但很快否定了,因為如果是這類問題,那么在冷卻之后重新開機,應該是正常的,再過幾分鐘出現同樣故障。但不是這樣的情況,正如前所述的,是不管如何開機測試,只要一通電開機就是故障現象。這個時候不管更換任何元器件,故障依舊,沒任何好轉情況。另外,再補充說明一下情況:噪音與電壓升降變化頻率大概是1Hz左右,很有規律,噪音與電壓變化時序是:0→低→高→低→0……不斷循環(每次電壓在0V時,大概噪音6次后才開始升降變化),根據這種情況分析,應該是TOP204芯片沒啟振,曾無意在沒安裝光耦的情況下通電開機,故障一樣,那么說明可能故障在反饋電路上。也曾考慮是變壓器的問題,重新繞制了變壓器(原邊/初級匝數121,電感量1.8mHz,反饋繞組8匝,副邊/次級繞組10匝,最先發貼也已說明。同名端如圖,應該沒錯,也測試過),也是一樣的。
15v開12的匝比?這太大了,建議你開到6-7左右,重新算過變壓器吧
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2017-06-22 11:07
恭喜被添加到社區經典圖庫,并獲得1積分
http://www.daogou-taobao.cn/bbs/classic/
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2017-06-22 11:58
@ymyangyong
431和光耦換過沒有?
431和光耦,都換過了。
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2017-06-22 12:40
@空軍通信兵
變壓器空氣氣息是否夠?氣息不夠磁芯飽和也會出現這些現象。
磁芯氣隙通過計算是0.432mm,δ=4π×10-7Np2Ae/Lp=4×3.14×10-7×1212×42/1.788=0.432mm
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liujij
LV.5
25
2017-06-22 13:02
@anjunly_zhong
無意中又發現一個問題:這是無意中發現的,因為之前取下了光耦,切斷與跨接線后忘了安裝光耦,在無光耦的情況下,試了機,然后發現不對就安裝上光耦再試,結果情況是一樣的。也就是說在有與無光耦的情況是一樣的,根據這樣的情況,我想應該問題出在反饋電路上,也就是光耦無反饋。奇怪的是,第一次焊接安裝好試機,一切正常呢,輸出電壓15.25V,帶負載也沒問題,雖然是只逐步增加負載到1.5A就暫停了,本想讓其工作一段時間后再增加到2A測試。就在這個時候,大概3分鐘左右出現故障。再后來就一直這樣的故障。還有,更奇怪的是:三次設計的PCB板,都是如此的問題,每次都是用新設計的PCB板時正常,一會兒出現故障,然后就再也無法恢復,再如何換板子和元器件都是一樣。真是怪事呀,每次用設計的新板正常一會兒。特別說明:每次新設計的PCB板,測試正常大概幾分鐘,然后不管是換元器件還是PCB板都是一通電開機就是故障情況,始終無法出現剛開始時的正常一會兒的情況。真是奇怪了!!!百思不得其解呀!!!

出現故障無法恢復時,更換光耦,如果更換后能正常工作一段時間,就是光耦問題,可能是器件質量不好或設計錯誤。

尋找芯片發熱原因需要用示波器看波形。

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2017-06-22 13:30
@bobo13
15v開12的匝比?這太大了,建議你開到6-7左右,重新算過變壓器吧

也重新計算過幾次呢。

不知是不是計算方法有問題,請指教!

1、輸出功率與變壓器初一次感應電壓:

VBmin=85×1.1×√2=132.21V,VBmax=265×0.7×√2=262.39V

2、占空比:

Dmax =  VOR  /(VOR+Vi(min)-VDS(on)) = 135/(135+90-10)=0.628

Dmin = Vi(min)/(VOR+Vi(min)-VDS(on)) =  90/(135+90-10) =0.419

3、輸入功率:

Pi= Po/η = 30/0.88 =34.09W

4、一次線圈峰值電流:

IPK= Ipo/Dmin= Pi/(VBminDmin) = 34.09/(132.21×0.419) = 0.615A

5、一次繞組電感:

LP= VBmaxDmin×10/IPK= 262.39×0.419×10/0.615 = 1.788mH

6、一次繞組匝數:

根據工作頻率(100KHz)和功率選擇EE25磁芯,Ae=42mm2,磁芯磁感應強度100℃時360mT,變化范圍60%,

△B = 360×60% = 216mT

NP = VBmaxDmin×10/(Ae△B) = 262.39×0.419×10/(42×0.216) = 121.2 ≈ 121T

7、二次繞組和反饋繞組:

設電感壓降VL=0.3V,整流二極管壓降VD=0.4V。

每匝線圈所承受電壓為:n = VBmax/NP = 262.39/121 = 2.169V/T

Vs = (Vo+VL+VD)/0.707 = (15+0.3+0.4)/0.707 = 22.207V

VF= (VFO+VD)/0.707 = (12+0.4)/0.707 = 17.539V

Ns= Vs/n = 22.207/2.169 = 10.2 ≈ 10T

NF= VF/n =17.539/2.169 = 8.1 ≈ 8T

8、磁心氣隙:

δ = 4π×10-7Np2Ae/Lp= 4×3.14×10-7×1212×42/1.788 = 0.432mm

也通過其他方法計算過,也都差不多的數值。

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2017-06-22 13:37
@liujij
出現故障無法恢復時,更換光耦,如果更換后能正常工作一段時間,就是光耦問題,可能是器件質量不好或設計錯誤。尋找芯片發熱原因需要用示波器看波形。

不是更換光耦后正常工作一段時間(出現故障后更換任何元器件都沒用),而是每次重新設計PCB能正常一會兒,且僅是重新設計的第一塊板能正常,出現故障后再更換板子也沒用了。

用示波器測試過,波形很亂,跳躍性強,感覺是沒起振。芯片發熱是正常工作的那段時間里,由于時間較短就出現故障,沒找到到底是什么原因。

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guang盧
LV.7
28
2017-06-22 16:27
供電經過光耦再到R101腳再到TOP204的C腳試試看!
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2017-06-22 16:31
@guang盧
供電經過光耦再到R101腳再到TOP204的C腳試試看!
試過,也是一樣的情況!
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guang盧
LV.7
30
2017-06-22 17:02
@anjunly_zhong
試過,也是一樣的情況!
TOP204YAI(C)腳電壓一直為5.11V????
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2017-06-22 17:25
@guang盧
TOP204YAI(C)腳電壓一直為5.11V????
是的,這個電壓倒是很穩定的呢。
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