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反激式開關EMC問題分析與調試

發(fā)布時間:2024-06-24 14:58

一、反激式開關電源工作原理

1.1  反激式開關電源定義

返馳式(Fly Back)轉換器又稱單端反激式,或稱"Buck-Boost"轉換器,因其輸出端是在原邊MOS管關斷時獲取能量,故而得名。

 

工作原理:

a. 因變壓器原、副邊相位相反,原邊MOS開通時,次級二極管D反向截止,Vin直接作用于原邊電感,儲存能量。

 

b. 原邊MOS管關斷時,次級二極管D導通,儲存在原邊電感中的能量耦合到次級,給負載供電的同時給電容充電。

1.2  工作電流模式:

BCM模式:若在每個開關周期開始或結束時,反激變壓器原邊勵磁電感所儲存的能量剛好釋放到0(對應的其內部的最小磁通也剛好為0),那么此時電源工作在BCM模式下。

CCM模式:若在每個開關周期開始或結束時,反激變壓器原邊勵磁電感中最小磁通不為0,那么電源工作在CCM模式下,此時反激變壓器勵磁電感還有殘余能量儲存;

從電流波形上來看,勵磁電感中持續(xù)有電流流過,即反激變壓器勵磁電感中磁通持續(xù)存在,采用CCM模式可以有效降低開關管的電流應力,但需要較大的電感量。

DCM模式:若在每個開關周期開始或結束時,反激變壓器原邊勵磁電感中最小磁通已經(jīng)為0,那么電源工作在DCM模式下,此時反激變壓器勵磁電感儲存的能量完全釋放掉;

▲ DCM模式電壓電流波形

從電流波形上來看,勵磁電感中有一定時間內無電流流過,即反激變壓器勵磁電感中磁通在一定時間內消失,只有反激變壓器原邊漏感中存在磁通,勵磁電感失去箝位作用,勵磁電感感量與開關管D-S極間電容會產(chǎn)生LC振蕩,振蕩頻率由勵磁電感感量與開關MOS管D-S極電容共同決定。

1.3  電流環(huán)路分析

①:原邊MOS管開通環(huán)路

②:原邊MOS管RC吸收電流環(huán)路

③:原邊MOS管驅動電流環(huán)路

④:副邊整流二極管電流環(huán)路

⑤:原邊RCD吸收電流環(huán)路

⑥:原邊RCD吸收 二極管反向恢復電流環(huán)路

⑦:原邊輔助繞組整流電流環(huán)路

⑧:副邊整流二極管反向恢復環(huán)路

▲ 實際應用電路電流環(huán)路分析

原副邊高頻電流耦合環(huán)路:

從理論上講反激變壓器可以隔離初次級之間的耦合,實際上由于繞組之間的寄生電容的存在,以及原副邊寄生電容的存在,初次級之間存在容性耦合。由于變壓器漏感的存在,初次級線圈之間也存在互感,即感性耦合,初次級之間的高頻耦合如紅色虛線部分所示。

 

初次級Y電容:為原副邊耦合的高頻噪聲電流提供最短的回流路徑,同時也產(chǎn)生高頻噪聲電流環(huán)路。

1.4  寄生電流環(huán)路分析

原邊MOS管寄生電流環(huán)路:開關MOS管的散熱片懸空時,開關MOS管與其散熱片之間的分布電容,散熱片與參考地(PE地)之間的分布電容,串聯(lián)起來構成高頻電流環(huán)路。

傳導測試時,高頻電流在機臺接PE地線時流過LISN,被檢測到。同時,高頻電流路徑也為高頻噪聲輻射提供了耦合路徑。

MOS管D極對大地或者對次級地之間分布電容為高頻噪聲提供耦合路徑,理論說降低D極布線長度或者減小D極散熱面積,可以降低此高頻電流。

1.5  開關噪聲

開關MOS管開關過程中產(chǎn)生的開關噪聲、高次諧波噪聲是電源端傳導測試超標頻點的主要源頭,設計時應采取措施加以管控。

1.6  寄生振蕩干擾源(一)

原邊漏感振蕩:反激MOS管關斷,副邊整流二極管導通時,原邊的勵磁電感被箝位,原邊漏感LEP的能量通過MOS管寄生電容CDS進行放電,主放電回路為LEP -CDS -RS-大電解-LEP,此時產(chǎn)生振蕩的頻率為:

 

原邊勵磁電感振蕩:反激式MOS管關斷,副邊二極管由通轉向關斷,原邊勵磁電感被釋放,CDS和原邊電感的雜散電容為并聯(lián)狀態(tài),再和原邊電感LP(勵磁電感+漏感之和)發(fā)生振蕩,放電回路同樣為LEP -CDS -RS-大電解-LEP,振蕩頻率為:

寄生振蕩干擾源(二)

整流二極管導通、關斷時,具有很寬的頻譜含量,開關頻率及其諧波本身就是較強的干擾源。原邊反激MOS管導通,次級整流二極管關斷時,副邊勵磁電感被鉗制,副邊漏感 LEs和二極管雜散電容CJ發(fā)生振蕩,其振蕩頻率為:

 

反激式MOS 管關斷,副邊二極管由通轉向關斷,原邊勵磁電感被釋放,CDs和原邊電感的雜散電容為并聯(lián)狀態(tài),再和原邊電感LP(勵磁電感+漏感之和)產(chǎn)生的振蕩噪聲,通過變壓器耦合到次級,形成共模電流環(huán)路。

寄生振蕩干擾源(三)

開關電源工作頻率的高次諧波是產(chǎn)生輻射的根源,是萬惡之源。

 

高頻寄生振蕩才是輻射噪聲產(chǎn)生的根源。

寄生振蕩干擾源(四)

反激電路主要高頻寄生振蕩

①. 初次級跨接Y電容與寄生電感

②. 原邊MOS管寄生電容與寄生電感

③. 原邊MOS管寄生電容與變壓器原邊漏感 

④. 次級整流二極管與次級漏感

⑤. RCD吸收二極管寄生電容與寄生電感

⑥. 輔助繞組整流二極管寄生電容與寄生電感

⑦. MOS管RC吸收電容與寄生電感

⑧. MOS管散熱片分布電容與寄生電感

⑨. L、N線Y電容與寄生電感

 

 

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