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libing
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  • 2009-12-7 15:44:05
以前涉及到的电源除了DC TO DC的各种拓扑外,AC TO DC的就只做过反激了,所以,用谐振确实系大姑娘上轿头一回。
案子源于客户的要求,主要是温度,其次是效率。由于效率要求较高,而功率又相对比较大,所以感觉用反激就达不到客户要求,最终选择了LLC谐振。
设计目标:AC85~264V INPUT,DC 19~48V OUTPUT,CC680mA*4,要求效率于220VAC时大于92%,功率因素于220VAC时大于0.95,温度在封闭空间内温升小于30度。以上是客户提出的要求,该电源的最大输出输出功率为0.68*4*48=130.56W,空载电压50V,恒流每路680mA输出,共四路。
方案选的飞兆的,FAN6961+FSFR2100,都算是新出的东西吧,代理商们是这么说的,其实看FAN6961的DATASHEET里面的图居然有日期是2005年的,嘿嘿,不知道算不算新东西,不过市面上比较少就是真的了。而且电源网上还真是只能找到很少的相关信息,不管是不是新出的东西,要不就是用的人少,要不就是不好用,很少人尝试。总之我也算是尝鲜了。
开始设计前跟代理商要了DEMO来测试过,证实了其实际的能力确实能达到他们所描述的,高效率,高功率因素。嗯,他们的DEMO做到了93%的整机效率,0.99的功率因素,所有参数在AC220V满载时测得。
在设计开始时,有一个很重要的问题跟包括老大在内的很多人讨论过,得到的回答也是五花八门。问题就是LLC谐振到底能不能做恒流输出?问过以前供6900的代理商,他们的工程师说能做,不过,很可惜的是该工程师一直未到调试出一个样板来,因为我们已经合做了过一年,而这一年来一直在等他们的消息,嘿嘿;另外,还问过飞兆的好几个代理的FAE,回答有说能做的,也有说不能做的,但共同特点是说能做的都没有能验证的DEMO。按理说,到这份上,应该死心了。其实我也一度有这样想。不过,参考过PI的一个设计指南,也是LLC谐振做的,但是却是恒流电源呢。虽然不是一家的IC,但是既然这种拓扑可以做恒流没有问题,那么,我觉得就不用分IC制造商了。但之所以选择飞兆的方案而不选PI的是因为PI的方案外围太复杂,元件数量多,不利于调试。最后,在老大的坚持下,我们商量了一些在实际设计中要注意的问题,就基本确定了原理。整个过程不过两天而已。后来由老大画PCB。
在PCB未制样之前,我一直对于原理是否正确而不安,因为不确定。心里总认为,从原理上讲,似乎没有什么说不过,但是,却又实在有些问题不敢确定。
前天PCB样品到,制作了5块样品,磁性元件的参数早已确定,并已制作好。因此,样品制作好后,直接试机。结果喜忧参半。喜的是,第一个样品通电后输出正常;忧的是,虽然输出正常,但是负载能力差,只能负载600mA左右,负载大了电压就往下掉,好像功率恒定一样。
有问题就得开始找原因。变压器是我自己绕制的,可以确定没问题。既然能正常输出了,这时候我不太担心原理上有问题了。另外其他参数与DEMO差异不大,应该不是问题。所以,分析了一天,没能真正地找到原因,陷入了无法思考的境地。于是再次去网上找资料,继续学习LLC谐振的原理。偶然间,发现了问题所在,在参照对方DEMO时忽略了一个问题,因为代理商的DEMO上没有谐振电感,所以,我在参考时将谐振电感省掉了(因为当时这正好迎合了我的想法,因为当时我的PCB空间不太够,没有谐振电感将会有很大帮助),但是,我在选用主变压器磁芯的时候,因为一时找不到双槽的骨架,所以就选用了PQ的骨架。于是,问题就在这里产生了。DEMO上没有谐振变压器是因为双槽的变压器骨架可以使用变压器绕制后有很大的漏感,而这个漏感就恰好可以用来当谐振电感使用,所以不需要另外增加谐振电感。而显然,我用的PQ的骨架就没有这种效果,所以当然得添加谐振电感了。问题找到就好办,直接随意找了一个骨架,绕制了一个90uH左右的电感(这个电感量是根据需要的谐振电感的大小,再参考主变压器漏感估算的),焊接,试机。激动,负载3A,4A,可以,没问题了,解决!
libing
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  • 2009-12-7 15:44:46
 
二、今天在调试的时候,遇到一个极大的问题。因为昨天下班前已经将样机送给客户测试了,所以手头没有样机了,但是将其他几个样机焊接完成后拿出来测试时,发现居然一个正常的都没有。这可头大了。
所有的样机都表现为PFC升压不正常。
以为PFC电路不正常,PFC部分不升压。找原因,发现一个样机PFC部分IC供电达30+V,靠,PFC部分IC直接烧掉了,万用表量得FN6961的PIN5与PIN8短路。查得提供电源的IC坏了。。。使得电源提供不正常,更换,再通电,量得供电正常,于是更换FAN6961。还是不升压。
后又发现,所有的样机PFC部分升压后都维持到350V左右就不升了,因为测试线是串有灯泡的,所以,升压后,灯泡会一直维持很亮。用示波器测得PFC部分的MOS驱动信号正常,就算是在升压到350V后,MOS的驱动信号仍然存在,说明PFC的IC似乎正常,因为它都知道升压未到,所以驱动信号还维持着,但是却为何不能再往高了升压呢?
无意中发现,350V刚好是主控IC FSFR2100供电的门限电压。该电源的IC供电是分顺序的,先让PFC工作,直到电压升到350V时,才给主控供电,让主控工作。于是,猜想,主控工作不正常,因为只要一开始给主控供电,让主控工作,PFC部分马上停止升压。
随后,为了验证我的猜想,将输出电源调节到100VAC,将PFC升压电压调节到240VDC,所以这时候,远远还没到给主控供电的时机。通电,测试线上串的灯泡高,升压,到240V,停,灯泡灭。正常!!!这说明PFC部分工作是正常的。
于是,将所有的怀疑全部转移到主控部分。猜想可能因为主控部分耗电量太大,导致前端升压部分供应不来。所以,将主控部分电路中的关键元件,如电解电容,主控IC,变压器等一一拆下,用漏电流测试仪测试,400VDC条件下漏电流居然为0。至少说明了这部分除了拆下来的元件外,没有问题了。随后又将拆下来的元件一一验证了,没有找到问题所在。
抓狂了。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
冷静下来。
再分析问题。
找来另一DC电源,直接供300VDC给主控部分,拆掉PFC部分。通电,工作正常!晕!倒!主控部分也没问题。。。
再把PFC部分还原,再通电,升压止于350V,测试线上串的灯泡一直亮,PFC部分的MOS门级信号一直有。故障仍旧。
这时老大过来,问:你那测试线上的灯泡为什么老亮啊?是不是灯泡不够大啊?多少W的?
是吗?找个换换。将测试线上的40W灯泡换成100W的,再通电,灯泡亮,升压,到多少?390!!!灯泡灭。。。靠!悲剧了!
为了安全可靠,为了保证不炸机,总是在测试线上串接一个灯泡,可是,也许太安全了不够奔放果然不行。今天就出悲剧了,测试线上的灯泡需要根据电源的功率级别更换啊!看来这个得定个操作标准了。。。
由于有串灯泡的原因,导致灯泡亮时电流被限,所以主控开始工作后,电流不够用了,PFC部分没办法再升压了。也就是不管主控供电的门限电压被调到多少,只要开始给主控供电,PFC部分就停止升压了。。。换了大功率灯泡后,问题解决了。
这样,样机能正常工作了。剩下的问题就是调整参数,将功率因素和效率调高了,因为目前的效率只有89%,功率因素才0.8。
嘿嘿,加油!
libing
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  • 2009-12-7 15:45:36
 
三、 又经历了两天了,在对样机的深入测试下,又发现和总结了几个问题。
一,恒流性能不理想。在20V~48V这么宽的输出电压范围下,恒流效果不好,在45V输出时,电流1.7A,而在20V输出时,电流居然达到3A。。。恒流稳定性严重有问题。
先观察了恒流检测的波形,正常;然后观察了恒流反馈的波形,正常。既然两个关键点的波形都正常,也就是说恒流电路能正确地给前端反馈信号,但是,为什么不能很好地恒流呢?在观察中发现一个问题:电流反馈与电压反馈有很大的区别,电流反馈的波形很规则,基本上都是规则的方波,而电压反馈时,其反馈的波形很凌乱,基本属于随机的。正因为电流反馈波形很规则,所以,可以看出其频率,比较低,才500Hz。曾猜测可能因为电流反馈的频率太低了,所以电流稳不住,但是尝试了一些方法,却发现无法将电流反馈的频率调高。因此,只好从其他方面入手。在定电压模式下,观察了输出电压的波形,发现输出电压的纹波电压很高,峰峰值达10V。而电流反馈的频率仅仅产生于此,每当输出电压处于峰值时,电流反馈发生,所以,输出电压的纹波频率刚好与电流反馈的频率一致。得到这个线索后,开始有一个想法,因为电压反馈的时候,都是在边界处进行随机的调整,所以能正常反馈,那么,如果将电流反馈也做成电压反馈那样,是不是能正常恒流呢?于是,将原来的电流反馈改造了一下,将电流反馈加到电压反馈的电压参考处,即431的参考脚,当电流反馈发生时,就将431的参考脚电压抬高,使其看起来像是电压反馈一样。然而,测试的结果却叫人失望,因为完全没效果,恒流性能没有变化。而这时候的电流反馈波形依旧,仍然规则,同时,仍然频率很低。似乎,如果想要改变电流反馈的这一状况,应该从改善纹波入手。于是找来几个大容量的电解电容,加起来大约有3000uF的样子。加上去后,通电,以定电压模式测试,45V输出时,电流2.3A,20V输出时,电流2.5A,在整个电压输出范围内,电流只变化了0.2A,相当于每路只变化了50mA。这是个可以接受的结果!
二,功率因素不高的问题。对功率因素校正器的外围电路作了很多调整,一直无法将功率因素调高。而且,关键问题在于,这个IC的外围电路非常之简单,简直就没有可以调节的地方,所以调来调去也没有改善。
既然,调节外围参数解决不了,而且,受环境局限,看不了输入电流波形,无法分析具体的原因。只好从设计方面找原因了。首先,将整流后的电容减小。将原有的PAI形滤波去掉了,只留下一个小容量的电容。这样只有些许的改善,当电源的输出功率达到180W后,PF值才到0.93。其次,调节PFC电感的参数。根据IC的数据表内提供的公式来计算的话,得到的值是280uH,而我实际使用的电感量为300uH,理应无大碍,但是实际得到的结果却大相径庭,至于是不是哪里代入公式的参数有问题,就不太好判断了。。。在没有办法的情况下,只能根据以往的经验,加大PFC电感的电感量。于是乎,新绕制一个PFC电感,感量500uH。重新上电,测试,输出功率100W时,PF值为0.95,输出功率150W时,PF值为0.98(所有测试均在AC220V条件下进行),看来已经达到设计要求了。。。
另外,在恒压的情况下测试,输出功率达到150W时,整机效率达92.5%。不过,在恒流的情况下,输出功率达到150W时,整机效率却勉强到92%。加上个体差异和器件差别等因素,估计最终成品满载时的整机效率将会在91%~92%之间。只能说基本达到设计要求。明天打算重新再排个新板,希望在布线方面再深入考察一下后,效率能再提升一点。
至此,第一次做LLC谐振,基本成功了,在调试的过程中,真是学到不少新东西哦!
lylz
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  • 2010-10-28 12:17:24
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你的恒流并没调好,还处于振荡状态。
allen-leon
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  • 2009-12-7 19:11:44
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樓主好人啊,分享調試過程。。。。有空請教一下。。。
904091S
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  • 2009-12-8 13:50:55
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非常好!谢谢楼主分享!
hznx123
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  • 2009-12-8 22:25:16
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先顶一下
令狐葱
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  • 2009-12-11 19:18:43
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贴子不错,贵在真实.顶一下,
ding86361953
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  • 2009-12-30 11:10:48
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来的晚,学习了.调试过程能学到不少东西.
谢谢的LZ的分享.
powerliu
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  • 2010-11-1 12:07:30
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不错,顶下
zhyr0429
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  • 2010-11-4 20:45:32
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楼主不怎么懂原理的
fuliu6
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  • 2010-12-11 09:40:48
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谢谢楼主分享
hznx123
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  • 2010-12-13 20:58:05
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贵在真实!
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