开关电源系统:EMC的分析与设计之二

上一篇我有说明开关电源系统的EMC问题;我们现在再来分析高频开关电源干扰的起因以反激电源为例分析:目前<75w的供电系统,反激是最经济实效的!反激系统的EMC问题也是最严重的。 

开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等;

如下图:

(1)功率开关管功率开关管工作在On-Off快速循环转换的状态,dv/dt和di/dt都在急剧变换,因此,功率开关管既是电场耦合的主要干扰源,也是磁场耦合的主要干扰源。

(2)高频变压器高频变压器的EMI来源集中体现在漏感对应的di/dt快速循环变换,因此高频变压器是磁场耦合的重要干扰源。

(3)输出整流二极管输出整流二极管的EMI来源集中体现在反向恢复特性上,反向恢复电流的断续点会在电感(引线电感、杂散电感等)产生高dv/dt,从而导致强电磁干扰。

开关管负载为高频变压器初级线圈, 是感性负载。其在导通瞬间, 初级线圈产生大的电流, 并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压; 在断开瞬间, 由于初级线圈的漏感磁通,致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈, 储藏在电感中的这部分能量将在开关管漏极与电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减震荡, 叠加在关断电压上, 形成关断电压尖峰,如上图!

注意:

在开关管断开瞬间,由于初级线圈的漏磁通,致使一部分能量没有传输到次级线圈,而是通过集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡,叠加在关断电压上,形成关断电压尖峰,产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变,这个噪声会传导到输入、输出端,形成传导骚扰;

变压器的漏感与开关管的(MOS的DS间电容)寄生电容产生高频振荡>1MHZ

开关电源变压器初次级之间存在着分布电容,(对地的分布电容) 来与整个开关电源等效, 就形成了干扰通道。

共模干扰通过变压器的耦合电容, 经过参考接地板的分布电容再返回大地, 就得到一个由变压器耦合电容与参考接地板的分布电容构成的分压器。脉冲变压器初级线圈、开关管和分布电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射, 形成辐射骚扰。

注意:高频变压器初级线圈、开关管和分布电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射,形成辐射骚扰。

我们还需要对开关电源的上面几个固有的波形进行说明:

通过上面的谐波分析:初级漏感是高频干扰最主要的起因,它不能耦合到次级上 !也没有小的阻抗通路,因此初级漏电感就和Mos管输出电容之间和初级电容之间谐振,电压形成几个震荡(如果没有吸收和clamped电路这个过程会持续很久)。初级漏感电流是初级电流的一部分,因此伴随着初级漏感电流的下降的是次级电流的上升,如果没有clamped电路,电流的下降会非常快,如果加入clamped电路等于把这个过程拉长,电压应力也就减小了。

如上图中,如果不加RCD钳位,电路在DCM模式下,电路可能发生两次振荡,第一次主要是初级漏感Lkp和Coss的电容引起的引起高的VDS电压,第二次主要是在电路能量耗尽后,励磁电感和Coss电容振荡引起的谐振!

开关MOSFET 电压电流波形 di/dt & du/dt的分析

■RCD吸收电路 (DS, CS, RS) 将改变MOSFET 关断时的突波振幅与振荡频率,进而改变了杂讯频谱。

■电压Vds波形改变了共模杂讯,电流ID波形改变了差模杂讯。

具体的波形如下:

磁场和电场的杂讯与变化的电压和电流及藕合通道(如寄生的电感和电容)直接相关。

直观的理解,减小电压变化率dv/dt和电流变化率di/dt及减小相应的杂散电感和电容值可以减小由于上述磁场和电场产生的杂讯,从而减小EMI干扰。

在传导骚扰频段(<30MHz),多数开关电源骚扰的耦合通道是可以用电路网络来描述的;这时候我们就需要在L,N回路中增加输入滤波器的设计来解决EMI-传导发射骚扰!

在高频发射(>30MHz)杂散参数对耦合通道的特性影响很大,分布电容的存在成为电磁骚扰的通道。另外,在开关管功率较大时,集电极一般都需加上散热片,散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能忽略,它能形成面向空间的辐射骚扰和电源线传导的共模骚扰。

在高频段>1MHZ时,开关电源系统对地就存在分布电容;系统的关键信号,关键走线对地都存在分布电容;分布电容形成对地回到L,N的共模干扰信号。同时分布电容的环路形成对空间的辐射干扰!

这时候我们需要改善我们的信号环路,让回流的环路面积越小越好甚至通过增加外部的电容器件来优化回流面积设计来解决EMI-辐射发射骚扰!

后面我就来进行逐步分解传导和辐射的设计思路与方法:开关电源系统-传导干扰进行高效设计

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