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開關電源系統:EMC的分析與設計之二

上一篇我有說明開關電源系統的EMC問題;我們現在再來分析高頻開關電源干擾的起因以反激電源為例分析:目前<75w的供電系統,反激是最經濟實效的!反激系統的EMC問題也是最嚴重的。 

開關電源的EMI干擾源集中體現在功率開關管、整流二極管、高頻變壓器等;

如下圖:

(1)功率開關管功率開關管工作在On-Off快速循環轉換的狀態,dv/dt和di/dt都在急劇變換,因此,功率開關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來源集中體現在漏感對應的di/dt快速循環變換,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來源集中體現在反向恢復特性上,反向恢復電流的斷續點會在電感(引線電感、雜散電感等)產生高dv/dt,從而導致強電磁干擾。

開關管負載為高頻變壓器初級線圈, 是感性負載。其在導通瞬間, 初級線圈產生大的電流, 并在初級線圈的兩端出現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到二次線圈, 儲藏在電感中的這部分能量將在開關管漏極與電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減震蕩, 疊加在關斷電壓上, 形成關斷電壓尖峰,如上圖!

注意:

在開關管斷開瞬間,由于初級線圈的漏磁通,致使一部分能量沒有傳輸到次級線圈,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,疊加在關斷電壓上,形成關斷電壓尖峰,產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變,這個噪聲會傳導到輸入、輸出端,形成傳導騷擾;

變壓器的漏感與開關管的(MOS的DS間電容)寄生電容產生高頻振蕩>1MHZ

開關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成的分壓器。脈沖變壓器初級線圈、開關管和分布電容構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射, 形成輻射騷擾。

注意:高頻變壓器初級線圈、開關管和分布電容構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射,形成輻射騷擾。

我們還需要對開關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。

直觀的理解,減小電壓變化率dv/dt和電流變化率di/dt及減小相應的雜散電感和電容值可以減小由于上述磁場和電場產生的雜訊,從而減小EMI干擾。

在傳導騷擾頻段(<30MHz),多數開關電源騷擾的耦合通道是可以用電路網絡來描述的;這時候我們就需要在L,N回路中增加輸入濾波器的設計來解決EMI-傳導發射騷擾!

在高頻發射(>30MHz)雜散參數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,在開關管功率較大時,集電極一般都需加上散熱片,散熱片與開關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的共模騷擾。

在高頻段>1MHZ時,開關電源系統對地就存在分布電容;系統的關鍵信號,關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路,讓回流的環路面積越小越好甚至通過增加外部的電容器件來優化回流面積設計來解決EMI-輻射發射騷擾!

后面我就來進行逐步分解傳導和輻射的設計思路與方法:開關電源系統-傳導干擾進行高效設計

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