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PCB設計與EMI開關頻率詳解

來源:PCB 編輯:PCB設計 日期:2019-06-15 瀏覽:

PCB設計與EMI開關頻率詳解導讀:電源模塊發展至今,工程師們都著眼于如何將模塊做得更為小型化,輕量化,其實大家都明白可以通過提升開關頻率來提高產品的功率密度。但為什么迄今為止模塊的體積沒有變化太大?是什么限制了開關頻率的提升呢?

 

開關電源產品在市場的應用主導下,日趨要求小型、輕量、高效率、低輻射、低成本等特點滿足各種電子終端設備,為了滿足現在電子終端設備的便攜式,必須使開關電源體積小、重量輕的特點,因此,提高開關電源的工作頻率,成為設計者越來越關注的問題,然而制約開關電源頻率提升的因素是什么呢?其實主要包括三方面,開關管、變壓器和EMI及PCB設計

 

一、開關管與開關頻率

 

開關管作為開關電源模塊的核心器件,其開關速度與開關損耗直接影響了開關頻率的極限,下文為大家大概分析一下。

 

1、開關速度

 

MOS管的損耗由開關損耗和驅動損耗組成,如圖1所示:開通延遲時間td(on)、上升時間tr、關斷延遲時間td(off)、下降時間tf。

 

圖1 MOS管開關示意圖

 

以FAIRCHILD公司的MOS為例,如圖2所示:FDD8880開關時間特性表。

 

圖2 FDD8880開關時間特性表

 

對于這個MOS管,它的極限開關頻率為:fs=1/(td(on)+tr+td(off)+tf) Hz=1/(8ns+91ns+38ns+32ns) =5.9MHz,在實際設計中,由于控制開關占空比實現調壓,所以開關管的導通與截止不可能瞬間完成,即開關的實際極限開關頻率遠小于5.9MHz,所以開關管本身的開關速度限制了開關頻率提高。

 

2、開關損耗

 

開關導通時對應的波形圖如圖3(A),開關截止時對應的波形圖如圖3(B),可以看到開關管每次導通、截止時開關管VDS電壓和流過開關管的電流ID存在交疊的時間(圖中黃色陰影位置),從而造成損耗P1,那么在開關頻率fs工作狀態下總損耗PS=P1 *fs,即開關頻率提高時,開關導通與截止的次數越多,損耗也越大,如下圖3所示。

 

圖3 開關管損耗示意圖

 

二、變壓器鐵損與開關頻率

 

變壓器的鐵損主要由變壓器渦流損耗產生,如圖4所示。

 

線圈加載高頻電流時,在導體內和導體外產生了變化的磁場垂直于電流方向(圖中1→2→3和4→5→6)。根據電磁感應定律,變化的磁場會在導體內部產生感應電動勢,此電動勢在導體內整個長度方向(L面和N面)產生渦流(a→b→c→a和d→e→f→d),則主電流和渦流在導體表面加強,電流趨于表面,那么,導線的有效交流截面積減少,導致導體交流電阻(渦流損耗系數)增大,損耗加大。

 

圖4 變壓器渦流示意圖

 

如圖5所示,變壓器鐵損是和開關頻率的kf次方成正比,又與磁性溫度的限制有關,所以隨著開關頻率的提高,高頻電流在線圈中流通產生嚴重的高頻效應,從而降低了變壓器的轉換效率,導致變壓器溫升高,從而限制開關頻率提高。

 

圖5 變壓器鐵損與開關頻率關系圖

 

三、EMI及PCB設計與開關頻率

 

假設上述的功率器件損耗解決了,真正做到高頻還需要解決一系列工程問題,因為在高頻下,電感已經不是我們熟悉的電感,電容也不是我們已知的電容了,所有的寄生參數都會產生相應的寄生效應,嚴重影響電源的性能,如變壓器原副邊的寄生電容、變壓器漏感,PCB布線間的寄生電感和寄生電容,會造成一系列電壓電流波形振蕩和EMI問題,同時對開關管的電壓應力也是一個考驗。

 

四、小結

 

要提高開關電源產品的功率密度,首先考慮的是提高其開關頻率,能有效減小變壓器、濾波電感、電容的體積,但面臨的是由開關頻率引起的損耗,而導致溫升散熱設計難,頻率的提高也會導致驅動、EMI等一系列工程問題。

 

萬龍精益自主研發、生產的隔離電源模塊已有近20年的行業積累,當前采用全新方案,實現同類型產品,體積最小,例如E_UHBDD-10W模塊較上一代ZY_UHBD-10W體積縮減了一半,如下圖6所示。

 

圖6 E_UHBDD-10WN與ZY_UHBD-10W規格對比

 

同時萬龍精益為保證電源產品性能建設了行業內一流的測試實驗室,配備先進、齊全的測試設備,全系列隔離DC-DC電源通過完整的EMC測試,靜電抗擾度高達4KV、浪涌抗擾度高達2KV,可應用于絕大部分復雜惡劣的工業現場,為用戶提供穩定、可靠的電源隔離解決方案。

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