一文看懂EMI及PCB設(shè)計(jì)與開關(guān)頻率

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電源模塊發(fā)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(shí)大家都明白可以通過(guò)提升開關(guān)頻率來(lái)提高產(chǎn)品的功率密度。但為什么迄今為止模塊的體積沒(méi)有變化太大?是什么限制了開關(guān)頻率的提升呢?

開關(guān)電源產(chǎn)品在市場(chǎng)的應(yīng)用主導(dǎo)下，日趨要求小型、輕量、高效率、低輻射、低成本等特點(diǎn)滿足各種電子終端設(shè)備，為了滿足現(xiàn)在電子終端設(shè)備的便攜式，必須使開關(guān)電源體積小、重量輕的特點(diǎn)，因此，提高開關(guān)電源的工作頻率，成為設(shè)計(jì)者越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題，然而制約開關(guān)電源頻率提升的因素是什么呢?其實(shí)主要包括三方面，開關(guān)管、變壓器和EMI及PCB設(shè)計(jì)。

一、開關(guān)管與開關(guān)頻率

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

1、開關(guān)速度

MOS管的損耗由開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗組成，如圖1所示：開通延遲時(shí)間td(on)、上升時(shí)間tr、關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)、下降時(shí)間tf。

圖1 MOS管開關(guān)示意圖

以FAIRCHILD公司的MOS為例，如圖2所示：FDD8880開關(guān)時(shí)間特性表。

圖2 FDD8880開關(guān)時(shí)間特性表

對(duì)于這個(gè)MOS管，它的極限開關(guān)頻率為：fs=1/(td(on)+tr+td(off)+tf) Hz=1/(8ns+91ns+38ns+32ns) =5.9MHz，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于控制開關(guān)占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，所以開關(guān)管的導(dǎo)通與截止不可能瞬間完成，即開關(guān)的實(shí)際極限開關(guān)頻率遠(yuǎn)小于5.9MHz，所以開關(guān)管本身的開關(guān)速度限制了開關(guān)頻率提高。

2、開關(guān)損耗

開關(guān)導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的波形圖如圖3(A)，開關(guān)截止時(shí)對(duì)應(yīng)的波形圖如圖3(B)，可以看到開關(guān)管每次導(dǎo)通、截止時(shí)開關(guān)管VDS電壓和流過(guò)開關(guān)管的電流ID存在交疊的時(shí)間(圖中黃色陰影位置)，從而造成損耗P1，那么在開關(guān)頻率fs工作狀態(tài)下總損耗PS=P1 *fs，即開關(guān)頻率提高時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通與截止的次數(shù)越多，損耗也越大，如下圖3所示。

圖3 開關(guān)管損耗示意圖

二、變壓器鐵損與開關(guān)頻率

變壓器的鐵損主要由變壓器渦流損耗產(chǎn)生，如圖4所示。

給線圈加載高頻電流時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)和導(dǎo)體外產(chǎn)生了變化的磁場(chǎng)垂直于電流方向(圖中1→2→3和4→5→6)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變化的磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體內(nèi)整個(gè)長(zhǎng)度方向(L面和N面)產(chǎn)生渦流(a→b→c→a和d→e→f→d)，則主電流和渦流在導(dǎo)體表面加強(qiáng)，電流趨于表面，那么，導(dǎo)線的有效交流截面積減少，導(dǎo)致導(dǎo)體交流電阻(渦流損耗系數(shù))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(guān)頻率的kf次方成正比，又與磁性溫度的限制有關(guān)，所以隨著開關(guān)頻率的提高，高頻電流在線圈中流通產(chǎn)生嚴(yán)重的高頻效應(yīng)，從而降低了變壓器的轉(zhuǎn)換效率，導(dǎo)致變壓器溫升高，從而限制開關(guān)頻率提高。

圖5 變壓器鐵損與開關(guān)頻率關(guān)系圖

三、EMI及PCB設(shè)計(jì)與開關(guān)頻率

假設(shè)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(wèn)題，因?yàn)樵诟哳l下，電感已經(jīng)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(shù)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的寄生效應(yīng)，嚴(yán)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(huì)造成一系列電壓電流波形振蕩和EMI問(wèn)題，同時(shí)對(duì)開關(guān)管的電壓應(yīng)力也是一個(gè)考驗(yàn)。

四、小結(jié)

要提高開關(guān)電源產(chǎn)品的功率密度，首先考慮的是提高其開關(guān)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(guān)頻率引起的損耗，而導(dǎo)致溫升散熱設(shè)計(jì)難，頻率的提高也會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)、EMI等一系列工程問(wèn)題。

ZLG致遠(yuǎn)電子自主研發(fā)、生產(chǎn)的隔離電源模塊已有近20年的行業(yè)積累，當(dāng)前采用全新方案，實(shí)現(xiàn)同類型產(chǎn)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(guī)格對(duì)比

同時(shí)ZLG致遠(yuǎn)電子為保證電源產(chǎn)品性能建設(shè)了行業(yè)內(nèi)一流的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，配備最先進(jìn)、齊全的測(cè)試設(shè)備，全系列隔離DC-DC電源通過(guò)完整的EMC測(cè)試，靜電抗擾度高達(dá)4KV、浪涌抗擾度高達(dá)2KV，可應(yīng)用于絕大部分復(fù)雜惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，為用戶提供穩(wěn)定、可靠的電源隔離解決方案。