上一篇我有說明開關(guān)電源系統(tǒng)的EMC問題;我們現(xiàn)在再來分析高頻開關(guān)電源干擾的起因以反激電源為例分析:目前<75w的供電系統(tǒng),反激是最經(jīng)濟實效的!反激系統(tǒng)的EMC問題也是最嚴重的。
開關(guān)電源的EMI干擾源集中體現(xiàn)在功率開關(guān)管、整流二極管、高頻變壓器等;
如下圖:
(1)功率開關(guān)管功率開關(guān)管工作在On-Off快速循環(huán)轉(zhuǎn)換的狀態(tài),dv/dt和di/dt都在急劇變換,因此,功率開關(guān)管既是電場耦合的主要干擾源,也是磁場耦合的主要干擾源。
(2)高頻變壓器高頻變壓器的EMI來源集中體現(xiàn)在漏感對應(yīng)的di/dt快速循環(huán)變換,因此高頻變壓器是磁場耦合的重要干擾源。
(3)輸出整流二極管輸出整流二極管的EMI來源集中體現(xiàn)在反向恢復(fù)特性上,反向恢復(fù)電流的斷續(xù)點會在電感(引線電感、雜散電感等)產(chǎn)生高dv/dt,從而導(dǎo)致強電磁干擾。
開關(guān)管負載為高頻變壓器初級線圈, 是感性負載。其在導(dǎo)通瞬間, 初級線圈產(chǎn)生大的電流, 并在初級線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓; 在斷開瞬間, 由于初級線圈的漏感磁通,致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈, 儲藏在電感中的這部分能量將在開關(guān)管漏極與電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減震蕩, 疊加在關(guān)斷電壓上, 形成關(guān)斷電壓尖峰,如上圖!
注意:
在開關(guān)管斷開瞬間,由于初級線圈的漏磁通,致使一部分能量沒有傳輸?shù)酱渭壘€圈,而是通過集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩,疊加在關(guān)斷電壓上,形成關(guān)斷電壓尖峰,產(chǎn)生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變,這個噪聲會傳導(dǎo)到輸入、輸出端,形成傳導(dǎo)騷擾;
變壓器的漏感與開關(guān)管的(MOS的DS間電容)寄生電容產(chǎn)生高頻振蕩>1MHZ
開關(guān)電源變壓器初次級之間存在著分布電容,(對地的分布電容) 來與整個開關(guān)電源等效, 就形成了干擾通道。
共模干擾通過變壓器的耦合電容, 經(jīng)過參考接地板的分布電容再返回大地, 就得到一個由變壓器耦合電容與參考接地板的分布電容構(gòu)成的分壓器。脈沖變壓器初級線圈、開關(guān)管和分布電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會產(chǎn)生較大的空間輻射, 形成輻射騷擾。
注意:高頻變壓器初級線圈、開關(guān)管和分布電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會產(chǎn)生較大的空間輻射,形成輻射騷擾。
我們還需要對開關(guān)電源的上面幾個固有的波形進行說明:
通過上面的諧波分析:初級漏感是高頻干擾最主要的起因,它不能耦合到次級上 !也沒有小的阻抗通路,因此初級漏電感就和Mos管輸出電容之間和初級電容之間諧振,電壓形成幾個震蕩(如果沒有吸收和clamped電路這個過程會持續(xù)很久)。初級漏感電流是初級電流的一部分,因此伴隨著初級漏感電流的下降的是次級電流的上升,如果沒有clamped電路,電流的下降會非常快,如果加入clamped電路等于把這個過程拉長,電壓應(yīng)力也就減小了。
如上圖中,如果不加RCD鉗位,電路在DCM模式下,電路可能發(fā)生兩次振蕩,第一次主要是初級漏感Lkp和Coss的電容引起的引起高的VDS電壓,第二次主要是在電路能量耗盡后,勵磁電感和Coss電容振蕩引起的諧振!
開關(guān)MOSFET 電壓電流波形 di/dt & du/dt的分析
■RCD吸收電路 (DS, CS, RS) 將改變MOSFET 關(guān)斷時的突波振幅與振蕩頻率,進而改變了雜訊頻譜。
■電壓Vds波形改變了共模雜訊,電流ID波形改變了差模雜訊。
具體的波形如下:
磁場和電場的雜訊與變化的電壓和電流及藕合通道(如寄生的電感和電容)直接相關(guān)。
直觀的理解,減小電壓變化率dv/dt和電流變化率di/dt及減小相應(yīng)的雜散電感和電容值可以減小由于上述磁場和電場產(chǎn)生的雜訊,從而減小EMI干擾。
在傳導(dǎo)騷擾頻段(<30MHz),多數(shù)開關(guān)電源騷擾的耦合通道是可以用電路網(wǎng)絡(luò)來描述的;這時候我們就需要在L,N回路中增加輸入濾波器的設(shè)計來解決EMI-傳導(dǎo)發(fā)射騷擾!
在高頻發(fā)射(>30MHz)雜散參數(shù)對耦合通道的特性影響很大,分布電容的存在成為電磁騷擾的通道。另外,在開關(guān)管功率較大時,集電極一般都需加上散熱片,散熱片與開關(guān)管之間的分布電容在高頻時不能忽略,它能形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導(dǎo)的共模騷擾。
在高頻段>1MHZ時,開關(guān)電源系統(tǒng)對地就存在分布電容;系統(tǒng)的關(guān)鍵信號,關(guān)鍵走線對地都存在分布電容;分布電容形成對地回到L,N的共模干擾信號。同時分布電容的環(huán)路形成對空間的輻射干擾!
這時候我們需要改善我們的信號環(huán)路,讓回流的環(huán)路面積越小越好!甚至通過增加外部的電容器件來優(yōu)化回流面積設(shè)計來解決EMI-輻射發(fā)射騷擾!
后面我就來進行逐步分解傳導(dǎo)和輻射的設(shè)計思路與方法:開關(guān)電源系統(tǒng)-傳導(dǎo)干擾進行高效設(shè)計