フライバック電源の出力がなぜこんなに発振するのか

図1は出力波形、図2は3842の電源波形ですが、補助巻線の給電問題でしょうか

まずご質問に答えます:補助巻線の問題ではありません。あなたの VCC 波形がまさにそれを証明しています。

UC3842 の低電圧ロックアウト(UVLO)は 16V で起動、10V で遮断です。図 2 で測った VCC は 15.2V から 19.8V の間で振れています——最低点でも起動しきい値より高く、遮断しきい値とは 5V 以上離れています。チップは全行程で正常に動作しており、電源断からの再起動は起きていません。本当に補助巻線が電力供給を絶たれてヒカップしているなら、VCC は 16V と 10V の間で大きなノコギリ波を描き、周期は 0.数秒になります。あなたのこれとは全く別物です。なのでトランスは触らないでください。

ではこれは何か?間欠動作、別名パルスバンチング(pulse bunching)です。 図 1 を分解して見ると:

  • あのゆっくりした線形降下 = スイッチングがほぼ動作せず、出力コンデンサが負荷へ放電している;

  • 立ち上がりエッジの高周波の塊 = スイッチングが突然しばらく動作し、コンデンサを充電し戻す。 VCC の同じ周期のノコギリ波とも一致します:バースト時は補助巻線が大量に供給して 19.8V まで上がり、間欠時はゆっくり消費されて 15.2V まで下がる。二つの波形は同じ「動作—停止」サイクルの表裏です。

しかし 7.6V の振れ幅はおかしい。 通常の軽負荷時のパルススキップなら、出力は設定値を中心に数百 mV 程度の小さな変動になるはずです。あなたのは 5.6V から 13.2V で、谷は設定値をはるかに下回っています——ループの高域側は抑えられても低域側で引き戻せず、フィードバック応答が追いついていないことを示します。これは「正常な軽負荷現象」ではありません。

まず切り分け実験を一つ:ダミー負荷を付ける。12V 出力なら 100Ω/5W(約 120mA)または 51Ω/10W(約 235mA)。

  • 付けたら安定 → 軽負荷間欠。最小ダミー負荷を追加し、補償を調整すればよい;

  • 付けても振れる → ループを調べる。以下へ進む。

ループ調査はこの順で。いずれも回路図上で直接対応が取れます:

  1. COMP(pin1)の直流レベルが 1 周期内でどう変化するかを測る:ゆっくり登る = ループが遅すぎる;高いままなのに出力が落ちる = パワー段が供給できない(トランス飽和または電流制限)。

  2. TL431 の REF が 2.5V か測る。ついでに RP1 ポテンショメータの接触が良好か確認。

  3. 補償ネットワークを見る:COMP–FB 間に 1k + 10nF を直列、零点は 15.9kHz でやや速く、低周波の積分作用が弱い。よくある方法は、COMP 対 GND に 4.7k+10nF、COMP から VREF へ 10k+100pF を直列。

  4. フォトカプラ LED 電流に注意:出力が 5.6V まで落ちると、R8=1.5k 経由で約 1.3mA しか流れず、TL431 の最小動作電流 1mA に達しない可能性があり、フィードバックがさらに弱くなる——これが振れ幅を大きくし、悪循環を招く。

最後にタイムベースを 20µs/div にしてバースト部を見る:Vds のプラトー、駆動デューティ、特に ISENSE が毎周期 1V に達しているかを見る——達していれば電流制限中で、電力供給が足りていない。

次高調波の線は追わないでください。あれは fsw/2(約 44kHz)規模の大小波で、あなたの 50Hz とは無関係です。

いい知らせがある:補助巻線を疑うのはやめていい。君のオシロの波形そのものが、補助巻線の無罪を証明してくれた。

3842は16 Vでオン、10 Vでオフになる。君のVCCは15.2〜19.8 Vの間を漂っている。オンしきい値まで下がることすらない、ましてやドロップアウトなんて論外だ。チップはずっと起きっぱなしだ。本物の補助巻線の電力不足はまるで別物で、出力が繰り返し落ちて再始動する間、VCCが数百ミリ秒かけて16 Vから10 Vまでノコギリ波状に下がる。君のはそうじゃない。トランスから手を離せ。

君の 実際の 症状は、コンバータがバースト動作していることだ。出力のあのゆっくりしたまっすぐな下降は、ほとんどスイッチングしていない間に出力コンデンサが負荷へ放電しているだけだし、あの汚い立ち上がりエッジは、短いスイッチングのバーストがコンデンサをすぐに充電し直しているだけだ。VCCも同じ踊りを踊る — スイッチング中は19.8 Vまで跳ね上がり、アイドリング中は15.2 Vまで垂れ下がる。実に一貫している。

だが、おかしいのはここだ:7.6 Vの振れ幅。 健全な電源での軽負荷バーストなら、出力は設定値の周りで数百ミリボルトしか揺れない。君のは5.6 Vまで落ちる。12 Vにはとても届かない。つまりループは上昇時には捉えているのに、下降時にはまったく捉えられていない。フィードバックが遅すぎるか、そもそもゲームに参加していないかだ。

まずこれをやれ。2分で終わる実験だ: 出力にダミー負荷を付けろ — 100 Ω、5 W(約120 mA)、もっときついテストをしたければ51 Ω、10 Wだ。

  • 静かになる → 最初からずっと軽負荷バーストだった。ブリード抵抗を付けっぱなしにしておけ、それで終わり。

  • まだ揺れる → ではフィードバックを掘り下げる。

そして、これは早めに本当に確認してほしい。君のまさにその回路で、こっそり効いてくるやつだから。オプトカプラのLED抵抗はR8 = 1.5 kだ。 出力5.6 Vでは、そのLEDに流れるのは約1.3 mAしかない — そしてTL431は自分が生き残るだけでおよそ1 mAを欲しがる。だから出力が下がるほどフィードバックは弱くなり、フィードバックが弱くなるほどさらに下がる。これ自体が振れ幅の増幅器だ。R8を1 kにしてどうなるか見てみろ。

見る価値があるのは:君のCOMP–FBネットワークは1 kと10 nFで、ゼロを16 kHzあたりに置いている — かなり機敏で、低域の積分はほとんどない。俺がうまくいった組み合わせは、COMPからグラウンドへ4.7 k + 10 nF、COMPからVREFへ10 k + 100 pFにして、それから負荷ステップを与えて、どう整定するかを見るやつだ。

あと、自分のためにやっておけ — あのバーストの最中にタイムベースを20 µs/divにしろ。ゲートドライブを見ろ、Vdsのプラトーを見ろ、そして特に、ISENSEが毎サイクル1 Vにぶち当たっていないかを見ろ。もしそうなら、君のは電流制限にかかっていて、パワーステージが追いつけていない。それはまったく別の対処法だ。

最後に一つ:これにスロープ補償を足すな。サブハーモニックの揺れはスイッチング周波数の約半分 — 君のタイミング値なら44 kHz — に、太いパルスと細いパルスが交互に現れる形で出る。君のは50 Hzだ。見当違いもいいところだ。

ありがとうございます。今、ご教示いただいた方法を試しているところです。そして、以下は先ほどテストした際の補足の波形です。問題点がより分かりやすくなるか、ご確認いただけますでしょうか。1枚目と2枚目は、私のサンプリング抵抗200mΩの波形です。3枚目は出力端とサンプリング抵抗を一緒に示した波形です(青が出力端の波形、緑がサンプリング抵抗の波形)。

ありがとうございます。今おっしゃった方法をデバッグしてみます。それから、以下は以前テストした際の補足の波形です。問題箇所がよりよく分かるかご確認いただけますか。1枚目と2枚目は、私のサンプリング抵抗の200mΩの波形です。3枚目は出力端とサンプリング抵抗を一緒に示した波形です(青が出力端の波形、緑がサンプリング抵抗の波形)。

私はこのフライバックを100kHz/12V/5A出力で設計しています。LED電流制限抵抗を1Kに変更しましたが、10Ωの負荷を接続してテストした波形はやはりほぼ同じです。下の青いのが出力電圧波形、緑がMOS下側のサンプリング抵抗の波形です。

私が設計したこのフライバックは100kHz/12V/5A出力です。LED電流制限抵抗を1Kに変更しましたが、10Ω負荷でテストした波形はやはりほぼ同じでした。下の青いのが出力電圧波形、緑のがMOSFET下端(ソース側)の検出抵抗の波形です。

新しい波形が出た時点で、さっきまで電流制限を疑ってた連中は休んでいい。248mV ÷ 200mΩ は 1.24A、3842 の 1V しきい値は 5A に対応するから、4分の1にも届いていない。ランプも安定して上がっていて、トランスは飽和していないし、電流ループも関与していない。VCC の波形は言うまでもない。三つの道がまとめて塞がれたので、残るは一箇所:COMP だ。

TI の UCx84x マニュアルの 7.3.8 節を見てみろ。はっきり書いてある。このチップにはシャットダウンの経路が二つあり、一つは ISENSE を 1V より上に引き上げること、もう一つは COMP を約2個分のダイオード順電圧降下(1~1.4V)以下まで引き下げること。PWM ラッチは reset dominant なので、条件が満たされている限り出力は低いまま。Unitrode の古いアプリケーションノートには、ずばり「pull pin 1 below 1 V」と書いてある。

この条件で 4ms/div の波形を見ると、バーストとバーストの間はきれいなゼロ線で、デューティ比が小さくなっているのではなく、チップがパルスを1発も出していない。つまり全体の流れはこうだ。出力が 13.2V まで跳ね上がる → TL431 がフォトカプラを全力で引き込む → COMP がシャットダウン領域まで押し下げられ、スイッチは全停止 → 出力コンデンサが負荷で放電して 5.6V まで下がる → TL431 が手を離し、COMP が戻って連続パルスを出し、コンデンサを再充電 → またオーバーシュートして、またシャットダウン。COMP は「飽和High」と「シャットダウンLow」の間をひたすら行き来していて、線形領域にはまったく居ない。 これは弛張発振であって、ループが「少し遅い」とかそういう話ではなく、ループがそもそも閉ループ動作していないのだ。

だから急いで補償コンデンサを交換するな。まず1チャンネルを pin1 に当てて、20ms 周期を丸ごと1周期見る。おそらく方形波のような2状態の跳びが見えるはずで、この一手の方が出力波形を見るよりよほど分かりやすい。同時に 100Ω/5W のダミー負荷を付けてみろ。付けた途端に安定するなら、軽負荷が COMP をシャットダウン領域まで押し込んでいる証拠だ。最小負荷を残し、R8 を 1.5k から 1k に下げて谷でも 2mA 以上の LED 電流を確保し、それから R9/C9 を調整し直せ。

ついでに数字を一つ。出力 13.2V のとき LED 電流は約 6.3mA、5.6V まで落ちると 1.3mA しか残らない。1周期で5倍変わる。PC817C の CTR はこの区間でそもそも非線形だし、ループ利得も出力と一緒に振り回される。この基板の問題はパワー段ではなく、帰還が利得をぶっ飛ばしていることにある。