FPS(Fairchild Power Switch ) 应用
Kenfa Qian/钱家法
1
目录
• Flyback Converter 反激变换器
• 基本电路及说明
• FSDM311/A功能框图
• FSQ0170RNA，FSQ0270RNA,FSQ0370RNA功能框图
• 变压器设计注意事项
• 常见问题及解决办法
• 参考书
Flyback Converter 反激变换器
Vspike
N*Vo
Vin
小阻值在此处
起到保险丝的
作用
限流电阻
启动电流限制
尖峰电压阻尼
负电压，高压
尖峰，ESD钳
位
二极管尖峰电 压吸收
VB R1
R2 R3
R5 C1
Lp=2mH
T1
D1 L1
1 8 5V
C3 C4
C2 R4
Vstr
Drain
U1
2
Vcc
C5
R7
D3
3
D4
18V C6
4
CY1
R8
GND
FB
R9
R10
R13
C9
D5
9.1V
C7
D6
C10
C12
U2
C11
R12 C8
1
U3
R14
OCP点调节
（FSDM311/A
无此功能）
负电压，高压
尖峰，ESD钳
位
反馈电压上升
斜率限制
斜率补偿
软启动增强
FSDM311/A（电压模式，67KHz开关频率）
高压启动开关
内部集成高压启动开关，可直接接高压，内部通过电流源向VCC电容充电，当达到启动电压后关闭，
与高压断开，高压端不在提供电流，没有损耗，提高效率
软启动（soft start）
内部提供15mS软启动功能
，减小电源启动时通过 MOSFET的电流和电压应 力
间歇工作（Burst Mode）
轻载时Æ输出电压上升Æ反
馈脚的电压降低Æ降低到
一定程度时开关停止Æ输
出电压下降Æ反馈脚上升
到一定程度开关恢复这个过程大量地减少开关 动作，减小了开关损耗
过压保护（OVP）
当反馈开路或其他原因引 起VCC上升到20V时产生保 护
过载保护（OLP） 当过载时，输出电压变低，光耦趋向开路，接在反馈 脚的电容电压会上升到一个较高的值，当达到Vsd时
，触发OLP
前沿消引（LEB）
避开电流上升的前 沿尖峰，消除因此 引起的误动作干扰
峰值电流检测提供逐周期过 电流保护
内部集成增强型650V的
SenseFET（比例电流感
应，省却外部电流采样电 阻，极大减小功耗）
FSQ0170RNA,FSQ0270RNA,FSQ0370RNA
（电流模式 100K Hz 开关频率 700V MOSFET）
高压启动开关
内部集成高压启动开关，可直接接高压，内部通过电流源向VCC电容充电，当达到启动电压后关闭，
与高压断开，高压端不在提供电流，没有损耗，提高效率
间歇工作（Burst Mode）
轻载时Æ输出电压上升Æ反
馈脚的电压降低Æ降低到
一定程度时开关停止Æ输
出电压下降Æ反馈脚上升
到一定程度开关恢复这个过程大量地减少开关 动作，减小了开关损耗
峰值电流调节
外接电阻可以调节
峰值电流保护点
过载保护（OLP）
当过载时，输出电压变低，光耦趋向开路，接在反馈脚 的电容电压会上升到一个较 高的值，当达到Vsd时，触 发OLP
过压保护（OVP）
当反馈开路或其他原因引 起VCC上升到20V时产生保 护
电流反馈及峰值电流检测 提供逐周期过电流 保护
前沿消引（LEB） 避开电流上升的前 沿尖峰，消除因此 引起的误动作干扰
软启动（soft start） 内部提供15mS软启动功能，减小电源启动时通过MOSFET的电 流和电压应力
内部集成增强型650V的 SenseFET（比例电流感 应，省却外部电流采样电阻，极大减小功耗）
请参考应用笔记（中文版）: AN4137
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为了减小高压启动时变压器饱和的机会,根据公式
Vdc * Ton
Np= * 10^6
B* Ae
Np可以用高一点的电压计算(如Vdc=150Vac*1.414)
意味着 Np取大一点
• 当使用FPS时还要注意验证变压器的饱和问题.
• 设计目标:变压器的饱和点应该大于FPS的最大电流保护点
• 例子:
• 磁心Core is EE1616 (Ae=20mm2);
• 初级电感Lm is 2.2 mH;
• 初级圈数primary turn numberis 125 T;
• used IC is FSD210B
• 275 mA≤ILIM ≤365mA
饱和:电流非线性上升
I Sat
= N P ´ BSat ´ Ae
Lm
125 ´ 0.3 ´ 20 ´10-6
=
2.2´10-3
• 记住这个公式:
I = NP
´ BSat
´Ae
Sat
m
• ISat : 变压器 饱和电流
• NP : 初级匝数
• BSat : 饱和磁感应强度
• (通常, BSat = 0.3 T at T = 100 °C )
• Ae : 有效磁面积
• (比如, EE1616 Ae = 20×10-6 m2)
• Lm : 变压器初级电感
• Isat 比IC的限流点低的解决办法
• Increase Np; 增加匝数,计算变压器 Np 时,尽量不要取最小值.
• Decrease Lm. 减小初级感量
• 加上限流脚的电阻或减小其感量(影响输出功率)
变压器设计注意事项－ 一个用于辅助电源的变压器规格（EEL19）
说明：
此变压器要求不能出现小数层，必须做到一层（整数层）绕完，不能多几圈或少几圈
层间绝缘是为了增加层间的距离，以上方法都是为了减小寄生电容，有利于减小EMI和开关管的损耗
Np=Np1+Np2+Np3+Np4=180 Ts
Ns=10 Ts
Nvcc=24 Ts
Lp=L(3-1)=2mH
磁心：EEL19
骨架：立式EEL19
|
1
|
绝缘
|
0
|
|
|
|
1
|
|
|
2
|
Np1
|
下6/上3
|
2--A
|
φ0.21
|
45
|
1
|
一层绕完
|
|
3
|
绝缘
|
下6/上3
|
|
|
|
1
|
层间绝缘
|
|
4
|
Np2
|
下6/上3
|
A--3
|
φ0.21
|
45
|
1
|
一层绕完
|
|
5
|
绝缘
|
0
|
|
|
|
3
|
|
|
6
|
Ns
|
下6/上3
|
8--7
|
φ0.45*2
|
10
|
1
|
一层双线并绕
|
|
7
|
绝缘
|
0
|
|
|
|
3
|
|
|
8
|
Np3
|
下6/上3
|
3--B
|
φ0.21
|
45
|
1
|
一层绕完
|
|
9
|
绝缘
|
下6/上3
|
|
|
|
1
|
层间绝缘
|
|
10
|
Np4
|
下6/上3
|
B--1
|
φ0.21
|
45
|
1
|
一层绕完
|
|
11
|
绝缘
|
0
|
|
|
|
2
|
|
|
12
|
Nvcc
|
下6/上3
|
5--4
|
φ0.21
|
24
|
1
|
一层均匀疏绕
|
|
13
|
绝缘
|
0
|
|
|
|
3
|
|
|
步骤 挡墙
(mm) 起止
绕线
线材 圈数
规格
层数 备注
1
Np=180 3
2
5
Nvcc=24
4
8
Ns=10
7
常见问题及解决办法
以下是应用中常见的问题,其中蓝色部分(占大部分)与Vcc有关,所以,在设计之初或发生
问题时,应该先检查Vcc是否还在理想范围内.
Vcc的稳定
Vcc脚，反馈脚，限流脚损坏
变压器饱和
Vds 过高
Ic 温度过高
空载、轻载不能启动
启动后不能加重载
待机输入功率大
短路功率过大
重载、容性负载不能启动
空载、轻载输出反跳
PCB layout
主要电容,电阻零件选择
减小可闻噪声
降低退出Burst的负载点
－Vcc设计目标
空载时，Vcc高于IC关断点以上（9Vmax）。 满载和峰值负载时，尽量做到不依赖稳压电路情况下（稳压管的误差较大，而且高温状态下，稳压 值会改变），Vcc低于最大承受电压和OVP（如18Vmin）点。
－Vcc稳定的解决办法 选择合适的Vcc绕组圈数
选择合适的Vcc整流管（比如FR104－FR107）和限流电阻，慢恢复特性的二极管以减小被整流过去的Vcc
绕组尖峰能量;高耐压的二极管具有更大的顺向压降Vf,重载时它可以分掉更多的电压.
给Vcc整流管串入小磁珠,慢恢复特性的二极管以减小被整流过去的Vcc绕组尖峰能量 增加少量的虚拟负载
小的Vds尖峰也有助于稳定Vcc，因为Vcc绕组的电压波形与Vds波形是相应的。重载是Vds尖峰大，在Vcc 绕组上的尖峰也大。FPS IC的能耗很低，这个尖峰经整流后完全可以提高Vcc脚上的电压。轻载时，不 明显。
现象:
VB
Vcc脚，反馈脚，限流脚对地阻抗很低或短路
原因:
R1
R2 R3
R5 C1
Lp=2mH
T1
1 8
-Vcc 过压
R6 D2
Np:Ns:Nvcc=180:10:22
-负电压加到这三个脚 弱信号脚的的负电压耐压通常只有-0.3V,
如果过大的负电压加到这些脚上,将可能引起误
Vstr
Drain
U1
2
Vcc
C5
2 6
R7
D3
3
D4
18V C6
4
动作或栓锁效应引起内部电路异常而损坏.
Ilim
GND
FB
-高电压尖峰加到这三个脚
过高的电压尖峰超过内部电路的耐压而击穿. 解决办法: 在Vcc脚，反馈脚反并一稳压管,一个高频小电容对Vcc过压，请参照Vcc稳定办法 红圈包围的零件必须靠近IC本体.
GND
R13
C9
D5
9.1V
C7
D6
3.3V
C10
U2
R11
C12
变压器饱和
现象:
在高压或低压输入下开机(包含轻载,重载,容性负载),输出短路,动态负载,高温等情况下,通过变压器(和开关管)的电流呈非线性增长,当出现此现象时,电流的峰值无法预知及控制,可能导致电流过应力和因此而产 生的开关管过压而损坏.
容易产生饱和的情况:
-变压器感量太大
-原边圈数Np太小
-变压器的饱和电流点比IC的最大限流点小
-没有软启动
-磁心Ae太小
解决办法:
-对变压器,参照变压器设计
-降低IC的限流点
-加强软启动,使通过变压器的电流包络更缓慢上升
电流包络
•Vds的设计目标 最恶劣条件（最高输入电压，负
VB R1
R2
R3
R5 C1
Lp=2mH
T1
1 8
载最大，环境温度最高，电源启
动或短路测试）下，Vds的最大
值不应超过额定规格的90％
R6
Vstr
D2
Drain
2
Vcc
Np:Ns:Nvcc=180:10:22
2 6
R7
D3
3
•Vds降低的办法
di/dt=N*Vo/L
C5
D4
18V C6
4
Vds=Vdc+Vro+Vspike
=Vdc+N*Vo+Vspike
Ilim
R13
GND
FB
C7
C9 D5
C10
U2
R11
Æ减小尖峰电压： a.减小漏感，变压器漏感在开关管开通 是存储能量是产生这个尖峰电压的主要原因，减小漏感可以减小尖峰电压 b.调整吸收电路:
•使用TVS管
•使用较慢速的二极管，其本身可以
吸收一定的能量（尖峰），
•插入阻尼电阻可以使得波形更加平
滑，利于减小EMI
GND
Vspike
Vdc
3.3V
IC 温度过高
IC温度过高的原因及解决办法
－内部的MOSFET损耗太大
开关损耗太大，变压器的寄生电容太大，造成MOSFET的开通、关断电流与Vds的交叉面积大。 解决办法是，增加变压器绕组的距离，以减小层间电容，如同绕组分多层绕制时，层间加入一层绝缘
胶带(层间绝缘) 。
－散热不良
IC的很大一部分热量依靠引脚导到PCB及其上的铜箔，应尽量增加铜箔的面积并上更多的焊锡
－IC周围空气温度太高
IC应处于空气流动畅顺的地方，应远离零件温度太高的零件。
空载、轻载不能启动
现象：
空载、轻载不能启动，Vcc反复从启动电压和关断电压来回跳动。 原因：
空载、轻载时，Vcc绕组的感应电压太低，即Vcc电压不足,而进入反复重启动状态。 解决办法：
增加Vcc绕组圈数，减小Vcc限流电阻，适当加上假负载。
如果增加Vcc绕组圈数，减小Vcc限流电阻后，重载时Vcc变得太高，请参照稳定Vcc的办法。
启动后不能加重载
可能的原因及解决办法：
1.Vcc在重载时过高
重载时，Vcc绕组感应电压较高,使Vcc过高并达到OVP点时，将触发IC的过压保护，引起无输出。 如果电压进一步升高，超过IC的承受能力，IC将会损坏。
解决办法参照Vcc不稳的处理方法。
2.内部限流被触发
－限流点太低 重载、容性负载时，如果限流点太低，流过MOSFET的电流被限制而不足，使得输出不足。解决办法是增大限 流脚电阻，提高限流点。
－电流上升斜率太大 上升斜率太大，电流的峰值会更大，容易触发内部限流保护。解决办法是在不使变压器饱和的前提下提高感
量
启动后不能加重载
可能的原因及解决办法：
1.Vcc太高 重载、容性负载时，Vcc绕组感应电压较高，解决办法参照Vcc不稳的处理方法。
2.内部限流被触发
－限流点太低：重载、容性负载时，如果限流点太低，流过MOSFET的电流被限制而不足，使得输出不足。解决办法是增大限流脚电阻，提高限流点。
－电流上升斜率太大：上升斜率太大，电流的峰值会更大，容易触发内部限流保护。解决办法 是在不使变压器饱和的前提下提高感量
待机输入功率大
可能的原因及解决办法：
-Vcc在空载、轻载时不足 这种情况会造成空载、轻载时输入功率过高，输出纹波过大。
输入功率过高的原因是，Vcc不足时，IC进入反复启动状态，频繁的需要高压给Vcc电容充电，
造成起动电路损耗。如果启动脚与高压间串有电阻，此时电阻上功耗将较大，所以启动电阻的
功率等级要足够。
-FPS未进入Burst Mode或已经进入Burst Mode,但Burst频率太高 开关次数太多,开关损耗过大。
调节反馈参数,使得反馈速度降低。
短路功率过大
现象:
输出短路时,输入功率太大, Vds过高
原因:
输出短路时, 重复脉冲多，同时开关管电流峰值很大
,造成输入功率太大
过大的开关管电流在漏感上存储过大的能量,
开关管关断时引起Vds高
输出短路时有两种可能引起开关管停止工作
-触发OCP， 这种方式可以使开关动作立即停止。
Æ触发反馈脚的OCP
Æ开关动作停止
ÆVcc下降到 8V
ÆVcc重新上升到12V,而重新启动
-触发内部限流 这种方式发生时，限制可占空比，依靠Vcc下降到UVLO 下限而停止开关动作，而Vcc下降的时间较长，即开关 动作维持较长时间，输入功率将较大。
Æ 触发内部限流，占空比受限
Æ Vcc 下降到 8V
Æ 开关动作停止
Æ Vcc重新上升到12V,而重新启动
解决办法:
－减少电流脉冲数,使输出短路时触发反馈脚的OCP，可以使开关 动作迅速停止工作，电流脉冲数将变少。这意味着短路发生时， 反馈脚的电压应该更快的上升。所以反馈脚的电容不可太大。
－减小峰值电流,
空载.轻载输出纹波过大
可能的原因及解决办法：
-Vcc在空载或轻载时不足
Vcc不足时，它表现为:在启动电压(如12V)和关断电压(如8V)之间振荡 IC在周期较长的间歇工作，短时间提供能量到输出，接着停止工作较长的时间，使得电容存储的能量不足以
维持输出稳定，输出电压将会下降。
解决方法： 保证任何负载条件下，Vcc能够稳定供给。
-Burst Mode时，间歇工作的频率太低 此频率太低，输出电容的能量不能维持稳定。
解决办法： 在满足待机功耗要求的条件下稍微提高间歇工作的频率 增大输出电容
现象：轻载能够启动，启动后也能够加重载，但是重载或大容性负载情况下不能启动。
设计目标：无论重载还是容性负载（如10000uF），输入电压最低还是最低，20mS内，5Vsb必须上升到稳定值。
原因及解决办法（保证Vcc在9～18V范围内的前提下）：
下面以容性负载C=10000uF为例进行分析， 按规格要求，必须有足够的能量使输出在20mS内上升到稳定的5V。
E＝0.5*C*V^2
电容C越大，需要在20mS内从输入传输到输出的能量更大。如图 所示，阴影部分总面积S就是所需的能量。要增加面积S，办法是：
1。增大峰值电流限流点I_limit，可允许流过更大电感电流Id
将与Pin4相接的电阻增大，从内部电流源Ifb分流更小，使作为 电流限制参考电压的PWM比较器正输入端的电压将上升，即允许
更大的电流通过MOSFET/变压器，可以提供更大的能量。
R6 D2
Ilim
U1