[YJGQDD]分享飞飞隔离电源核心设计和电源开发板

hailing · 发表于 2020-1-9 15:26:54

本帖最后由 hailing 于 2020-1-9 18:19 编辑

      2018年6月5日在论坛上发表了关于小功率的隔离电源帖子：[YJGQDD]开源小功率隔离电源设计第一篇www.amobbs.com/thread-5693175-1-1.html 后续又发表了
[YJGQDD]开源小功率隔离电源设计第二篇：基本电路讲解https://www.amobbs.com/thread-5694134-1-1.html
      当时把各种电路和测试结果一股脑儿的放在了帖子里面，导致内容很杂，有不少网友说看不懂。并且第一篇的帖子开始只能用于3.3V到5V的输入电压，应用范围很窄，后续又改进设计实现5到24V电压输入和窄脉冲开关等。现在有时间了，就把之前的内容整理了下。
一：核心设计介绍
      系统地介绍了飞飞电源各个部分，根据自己的实际需求进行组合设计一款适合自己的电路。举例的锂电池平衡充，就是一个组合设计的应用。
二：电源开发板介绍
      在第一篇中画了一个简易的使用STM8S003F3单片机驱动4MOS的电源板，感谢大家认可我的设计，这些板子都卖完了，后续还有网友问我还有没有板子。原来的板子实在是太简陋了，不方便开发验证隔离电源，并且也没输入输出保护，功能也单一。我又画了第二版的板子，调试了一段时间觉得不满意，因为大部分基于纯硬件的设计不方便调整参数，所以就分享在帖子中：[YJGQDD]开源飞飞电源第一期开发板资料https://www.amobbs.com/thread-5698490-1-1.html。后来是因为变压器厂家请教我如何测试给载波模块厂家提供的变压器：因为载波模块厂家需要在30K到500KHz的范围内发射功率都能够达标（这个也是我开发板配套上位机默认的2个频率原因），而变压器厂家的变压器测试仪器是基于信号分析和电感相关参数的仪器，不是基于功率输出测量的。因此有了这个第三版的飞飞电源开发板。长按K2按键可以切换设置的3组开关参数。把输出电压接负载电阻，测试负载电阻上的输出电压，用NTC探头测试变压器的温度，结合输入电压和输入电流参数就可以快速评估变压器在不同开关频率下的输出能力和开关效率了。
      飞飞隔离电源方案设计是定电压输入非稳压输出的方案。因为没有反馈回路，输出电压随负载功率变大而降低，好处是结构很简单，不用考虑反馈环路的问题。要增加一个隔离电压输出，直接在磁环上再绕一组线圈后端接肖特基二极管全桥整流滤波就完成一路新的隔离电压输出。开发板上提供的立式插件磁环可以方便的来调整匝数和增加新绕组。
      附件中提供了开关板的原理图和体验版的烧写码和烧写说明。为了方便夹鳄鱼夹，示波器探头，跳线测试，使用了测试环和插针组合的方式。使用了5个自恢复保险丝来保护输入输出和USB接口，使用自恢复保险丝+TVS管+肖特基来防止12V或24V电压误接5V或输入反接烧MCU。其中2个接MOS管的自恢复保险丝还并联了电阻和LED。当MOS发生过流情况时自恢复保险丝动作会让LED亮起，这样就直观的看到故障情况。
      三：口袋实验上位机介绍
      配套的上位机本来只是用来配置下开关参数和测试电压温度用的。后来用来测试房间温度，发现显示的曲线可以直观的反应出压缩机的工作情况和房间的温度波动。电压电流温度等参数的显示分析也是口袋实验室系列产品后面的重点开发方向。上位机也提供了计算磁环变压器匝数的计算工具，可以根据自己电路设计变压器匝数。
打个广告:开发板购买链接【DC-DC DCDC隔离开关电源变压器测试开发板外接温度传感器测温】https://m.tb.cn/h.V07PW7D?sm=7c6e6f 點￡擊☆鏈ㄣ接，再选择瀏覽→噐咑№亓；或復ず■淛这句话¢k89s1cNVEpZ¢后打开

Excellence · 发表于 2020-1-9 16:08:46

谢谢分享。。。。。。。。。。。。

huangqi412 · 发表于 2020-1-9 16:17:56

两个变压器，两个电源？

hailing · 发表于 2020-1-9 16:47:16

huangqi412 发表于 2020-1-9 16:17
两个变压器，两个电源？

是的，通过信号选择跳线帽选择驱动哪个变压器。

dadian · 发表于 2020-1-9 17:03:36

是用单片机控制的开关电源吗？

hailing · 发表于 2020-1-9 17:13:42

dadian 发表于 2020-1-9 17:03
是用单片机控制的开关电源吗？

用单片机驱动MOS进行开环控制的隔离电源。信号源可以使用门电路或其他芯片代替单片机。在基本单元电路的文档里面有提到。

PCBBOY1991 · 发表于 2020-1-9 17:31:02

请问上位机用啥语言上手快点啊。

hailing · 发表于 2020-1-9 17:37:22

PCBBOY1991 发表于 2020-1-9 17:31
请问上位机用啥语言上手快点啊。

这个上位机是用QT的，我同学做的。具体什么上手快我不清楚。

PCBBOY1991 · 发表于 2020-1-9 17:38:12

hailing 发表于 2020-1-9 17:37
这个上位机是用QT的，我同学做的。具体什么上手快我不清楚。

好的，谢谢！

JasonGao · 发表于 2020-1-9 20:35:28

哇，楼主又出新作品，支持支持！

genhao2 · 发表于 2020-1-9 20:41:18

好资料，学习一下

fengyunyu · 发表于 2020-1-9 22:36:36

高手，大牛

boceyibiao · 发表于 2020-1-10 08:30:22

太牛了，飞飞，赞一个，牛

jieao · 发表于 2020-1-10 10:59:20

如果变压器能做到图中这么小我很乐意将B0505全都换掉

coslight_dt · 发表于 2020-1-10 15:21:24

谢谢分享

hailing · 发表于 2020-1-10 15:31:19

要小体积，飞飞电源最少使用2线圈，4个引脚比传统的推挽式的4个线圈，6个引脚在方案上要有优势的，效率上因为是4个肖特基全桥整流，比推挽式的2个肖特基，每次整流要多出一个肖特基的压降。飞飞电源的效率比推挽式的要低些。

先看了下金升阳的TTB0505资料：尺寸是6.5X8.8X3.6的确是很小的一个体积。就是耐压折合交流只有1KVAC多一些。推挽式方案因为线圈多，只能使用漆包线绕制所以耐压低（使用三层绝缘线小磁环绕不下）。再搜网页上提供的一个方案参数：了解了对比方案的具体参数，开始找小体积变压器测试了。记得10年前第一次接触TDK三相654X方案用的三锰铜方案里面的贴片变压器体积小，可能手上还有样品。一阵翻箱倒柜，终于在一个原件盒子中找到了一个厚版本的外壳（因为我手上保存的资料是2mm的常规厚度的外壳，后来因为防强磁要求厂家换成厚外壳（厚度4mm）。尺寸是6.5X9.2X4mm.下图是焊接了焊锡丝方便夹鳄鱼夹测量。

拿出FF-BASIC开发板，使用4MOS方式驱动。这个变压器是1：1.几，只能使用4MOS驱动匝数少的那侧，输出使用匝数多的绕组。板子的5V通过稳压电源获得，把接电脑的USB线的5V剪断（这样电脑不会对板子供电，只要读稳压电源的5V电流就是板子的输入电流）：

飞飞开发板默认的143K，死区4的驱动方式静态电流有450mA以上。看来这个变压器需要高频率来驱动，使用上位机设置不同的参数，记录静态电流如下：

频率死区值占空比不加变压器电流加上变压器电流空载输出

143K 8 42.8% 18mA 450mA XX

200K 8 40% 19mA 35Ma 6.4V

250K 8 37.5% 21Ma 31mA 5.6V

300K 8 35.19% 22Ma 29MA 5.2V

350K 8 32.61% 23Ma 28Ma 5.1V

可以看到频率高了静态电流变小，但是本身不接变压器时的开关电流会变大（频率，占空比和空载电流不同的磁环特性是不一样的，有些会变大，有些会变小。比如我淘宝店铺中的立式FF0616磁环频率高了后静态电流会变大些，而FFTG0616反而静态电流会小些）

（输入开关频率和死区寄存器值，点击计算，查看占空比。然后再点击写入。）

调整开发板上的负载电阻跳线帽，读取电压，利用上位机的效率计算工具计算输出效率。

频率250K，死区8，占空比37.5%时

输入电流负载电阻输出电压效率

21Ma(不加变压器)

31Ma 无 5.7V XX

36ma 1K 5V 29.4%

82Ma 100R 4.7V 70.12%

251Ma 22R 4.3V 72.4%

频率300K，死区8，占空比35.19%时

输入电流负载电阻输出电压效率

22Ma(不加变压器)

29Ma 无 5.2V XX

34ma 1K 5V 33.3%

82Ma 100R 4.8V 73.1%

252Ma 22R 4.4V 75.5%

使用温度曲线和电压曲线功能查看温升和电压变化。这个功能可以观察电源在高低温下的输出情况。扔进高低温箱电源要是中途有异常都可以看到。右边的电压曲线就测试当中加不加不变压器，加不同的负载都可以从曲线上看出来。

结论：

1：测试变压器次级匝数还可以多1圈，输出电压偏低了些。

2：在5V输出时效率75%左右，比金升阳的推挽输出方案低了7%。

3：测试变压器和TTB0505占板面积差不多，厚度可以选2mm的更薄。

4：耐压3KV AC是TTB0505的1650V DC的2倍以上，更能满足大部分安规的耐压要求。

5：飞飞电源方案找到合适的驱动频率和占空比对大部分有2个线圈的磁性器件都可以测试下做隔离电源使用，比如我之前发帖驱动贴片共模电感的测试。

hailing · 发表于 2020-1-10 15:32:21

本帖最后由 hailing 于 2020-1-10 15:42 编辑

jieao 发表于 2020-1-10 10:59
如果变压器能做到图中这么小我很乐意将B0505全都换掉

上面有测试变压器厂家名称，我10年前联系过，现在找不到联系方式。你可以尝试搜索下。我这边也联系下现在合作的变压器厂家看，是否可以定制。厂家也要看采购量大才有兴趣搞新产品。

jieao · 发表于 2020-1-10 17:13:40

hailing 发表于 2020-1-10 15:32
上面有测试变压器厂家名称，我10年前联系过，现在找不到联系方式。你可以尝试搜索下。我这边也联系下现 ...

现在就是这个问题，金升阳单买变压器非常贵，还不如用B0505S划算，应该是定价策略问题

hailing · 发表于 2020-1-13 15:16:03

jieao 发表于 2020-1-10 17:13
现在就是这个问题，金升阳单买变压器非常贵，还不如用B0505S划算，应该是定价策略问题 ...

这个变压器看了下价格要9元。看到金升阳有卖不灌封的485和CAN隔离模块，上面用的变压器应该就是你上面提到的贴片推挽变压器。金升阳应该是通过不灌封的隔离通讯模块变相打他的变压器和驱动芯片的广告，有人看到隔离模块要自己做的话，可以买他们的变压器和驱动芯片。你的应用输出电流要多少？整个隔离电源的面积和高度要控制在多少，我后续设计小体积隔离方案有一个参考

jieao · 发表于 2020-1-13 15:22:24

hailing 发表于 2020-1-13 15:16
这个变压器看了下价格要9元。看到金升阳有卖不灌封的485和CAN隔离模块，上面用的变压器应该就是你上面提 ...

你说对了，他这个模块也就20*20mm以内吧，我找了好久都没找到这么小的变压器，一般用于通信的电源功率很小 5V 0.5W足够了

bdxuyankang · 发表于 2020-1-13 21:46:42

向你学习精深钻研的精神。

hailing · 发表于 2020-2-6 21:08:24

测试了高电压输出的应用输出300VDC接节能灯。10W以内，简单的用次级匝数的多少来决定输出电压，还是比较简单的。

zdhxzy1981 · 发表于 2020-2-7 14:46:34

收藏一下，会用到!

eastbest · 发表于 2020-3-27 10:43:43

这个板子挺有意思！

hailing · 发表于 2020-4-5 14:52:22

jieao 发表于 2020-1-10 10:59
如果变压器能做到图中这么小我很乐意将B0505全都换掉

https://www.amobbs.com/forum.php ... ;extra=#pid11306490这里我对更小体积的网口变压器做了测试。里面提到了几种电路的测试数据。

hushaoxin · 发表于 2020-4-5 20:42:03

jieao 发表于 2020-1-10 10:59
如果变压器能做到图中这么小我很乐意将B0505全都换掉

图中的主控芯片是什么呢？我搜索型号没有任何资料

hailing · 发表于 2020-5-6 16:41:04

测试FF-BASIC-DEMO开发板的PMOS驱动电路：
1：电路分析

上图Q6,Q4,Q5和R12,R15,R16组成PMOS的驱动电路。（NCE4606为SOP-8封装的集成

了NMOS+PMOS的MOS管）。

Q6+R12+R15为电平转换用，把0-5V（或0-3.3V）的PWM信号转换为Vin到（Vin-Vgs）

电压。

Q4和Q5组成图腾柱结构，把经过电平转换后没有驱动能力的信号通过三极管放大后

驱动后面的MOS管。让波形的上升沿和下降沿都在MOS管允许的开关损耗范围内。

PMOS的驱动电平为-0.6V到-[R12/(R12+R15)*Vin-0.6]V。（0.6V为三极管的Vbe电压

带来的电压损失）。上图+12V的电源符号为Vin，实际输入电压可以为12V到30V电压。针对

具体输入电压的应用，可以通过调整R12，R15的阻值可以产生-12V的电压驱动PMOS管。

2：开关波形测试

FF-BASIC-DEMO开发板设置驱动频率为30KHz,死区寄存器为8（死区时间为0.5us）。

直流稳压电源输出电压24V，电流限流100mA。

1》开发板上默认硬件参数测试：(NMOS和PMOS组成半桥模式交替开关)

开发板整体输入电流19mA。上升沿116ns，下降沿56ns

2》 PMOS并联10nF电容，模拟大电流的PMOS管的节电容Ciss（原NCE4606的PMOS

Ciss=520pF）

开发板整体输入电流23mA。上升沿550ns，下降沿224ns

3》 Q6的2N7002使用MMBT3904代替）。板子的空载电流直接大于限流的100mA。NMOS

和PMOS有直通的现象，只能拔掉NMOS的驱动信号跳线帽，让NMOS一直关断，PMOS正常

开关才能继续测试：

使用示波器观察Q6处的MMBT3904的输入波形和输出波形，发现三极管的

关断存在一个延时。三极管基极的限流电阻越小，延时越小。当三极管关

断延时大于死区时间时，NMOS和PMOS直通。

上图绿色的为三极管的输入信号，红色为PMOS的驱动信号。

MMBT3904串联电阻：关断延时

10K 1.72us

1K 1.16us

240R 760ns

可以看到就算串联240R的基极电阻，关断延时还是大于死区时间，造成NMOS和PMOS直通。

对于原来Q6为2N7002时的输入和输出信号：

可以看到关断和导通延时都在100ns以内。

在只开关PMOS的情况下继续使用Q6为MMBT3906测试驱动NCE4606的PMOS的驱动波形

上升沿为114ns，下降沿为52ns。

4》在只开关PMOS的情况下使用Q6为MMBT3906测试驱动NCE4606的PMOS并10n电容的

驱动波形上升沿550ns，下降沿212ns

4》测量Q4，Q5为MMBT3904+MMBT3906组成的图腾柱驱动PMOS时图腾柱的输入（红色）

和输出（绿色）波形。

可以看到图腾柱的输入输出波形上升下降基本一致，只是输出波形相对输入波形电压损

失了0.6V。下图就是PMOS关断电压为-0.6V.

5》测量Q4，Q5为2N7002+MMBT3906组成的图腾柱驱动PMOS时图腾柱的输出（红色）

和输入电压（绿色）波形。（只是把MMBT3904换成2N7002测试）

可以看到图腾柱的2N7002导通后，2N7002的Vgs电压会稍微大些，产生了下图蓝圈中

的斜面（导致开始关断时PMOS的关断电压比后面的-1.5V还要大些。稳定后PMOS关断

电压为-1.5V。（对比三极管MMBT3906在导通后就没有斜面）。对比第4点中MMBT3904

经过上升沿后，PMOS关断电压就稳定在-0.6V.

NCE4606的PMOS最小关断电压在-1.5V，蓝圈处的电压比1.5V还要低一些，
PMOS无法有效关断。
3：测试总结

（以下的MOS管和三极管指的是2N7002,BSS84,MMBT3904,MMBT3906等节电容很小的

管子，要是使用SS8050,SI2301等大电流的管子开关速度更慢）

1》 Q6使用三极管和MOS管，输出波形的上升沿和下降沿没有明显区别。并且驱动500pF

的MOS管和驱动10.5nF的MOS管，上升沿和下降沿前者只有后者的1/4到1/5的样子。

2》 Q6使用三极管的关断延时比MOS管大的多。要是只开关PMOS，三极管和MOS管都

可以用，只是三极管输出的占空比畸变比MOS管大，最高频率也不如MOS管。要是PMOS+NMOS

组成的半桥结构。则使用三极管时需要很大的死区时间（大于2us）避开因为三极管关断延时

带来的PMOS和NMOS直通的问题。而MOS的导通和关断延时差不多并且很小（小于100ns）。

3》 Q4,Q5处必须使用三极管。MOS管组成的图腾柱电压损失1.5V比三极管的0.6V大的多，可能

让PMOS处于微弱导通状态，PMOS发热或PMOS和NMOS直通都会损坏电路。

4》调整R12和R15的比值可以获得固定输入电压时的PMOS导通电压。可以减小R12,R15的阻值，

获得更快的上升速度，注意同时R12和R15的发热功率会更大。

5》以下PMOS驱动电路虽然性能不是最优，但是器件少，电路简单。驱动大电容PMOS也可以。

适合用于5-36V电压范围的PMOS驱动。

fastmcu · 发表于 2020-5-6 16:52:01

这个挺有意思的，谢谢分享！

am_shui9jing · 发表于 2020-5-8 10:43:00

MARK，小体积隔离电源

liuxiangyub · 发表于 2020-5-8 14:15:31

MARK
楼主高手

zhbc · 发表于 2020-5-8 16:49:31

MARK，小体积隔离电源

bug · 发表于 2020-7-11 10:34:28

多谢楼主慷慨分享

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