Flyback 架構(gòu)的EMI 分析.ppt

1 Flyback架構(gòu)的EMI分析 Conduction部分 SANTAKR D劉鵬 王可志 2 一 目的 3 二 Noise的產(chǎn)生機(jī)理及傳播途徑 Flyback架構(gòu)高頻等效模型Cds MOSFET的寄生等效電容 Cj 二極管的節(jié)電容Cj Cm MosfetD極對散熱片雜散電容 Cd 輸出二極管負(fù)極對散熱片的雜散電容Les 變壓器副邊對其他繞組的漏感 Lep 變壓器原邊對其他繞組的漏感Ctx 變壓器原邊與副邊之間的雜散電容 Ce 散熱片對地的電容 2 1Flyback架構(gòu)的高頻等效模型 4 2 2Flyback架構(gòu)中的nosie源 Noise源 大的di dt和dv dt產(chǎn)生的地方 對Flyback架構(gòu)來說 會產(chǎn)生這些變化的主要有 變壓器TX1 MOSFETQ1 輸出二極管D1 芯片的RC振蕩 驅(qū)動信號線 注 以下皆以C3KS 220V 充電板為研究對象 5 2 3MosfetQ1動作時產(chǎn)生的Nosie Q1上Vds的波形 MOSFET動作時產(chǎn)生的Noise 如上圖所示 主要來自三個方面 Mosfet開通 關(guān)斷時 具有很寬的頻譜含量 開關(guān)頻率的諧波本身就是較強(qiáng)的干擾源 關(guān)斷時的振蕩1產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾 關(guān)斷時的振蕩2產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾 6 2 3 1開關(guān)頻率諧波干擾的分析 近似的 開關(guān)信號的帶寬 BW 1 tr在滿足溫升的條件下 可通過調(diào)大驅(qū)動電阻來加大tr 而減小信號的帶寬 7 2 3 2Q1振蕩1形成機(jī)理 開關(guān)管Q1關(guān)斷 副邊二極管D1導(dǎo)通時 帶載 原邊的勵磁電感被鉗制 原邊漏感Lep的能量通過Q1的寄生電容Cds進(jìn)行放電 主放電回路為Lep Cds Rs C1 Lep 此時產(chǎn)生振蕩振蕩的頻率為 在Lep上的振蕩電壓Vlep迭加在2Vc1上 致使Vds 2Vc1 Vlep 振蕩的強(qiáng)弱 將決定我們選取的管子的耐壓值 電路的穩(wěn)定性 量測Lep 6 1uH Q1為2611查規(guī)格書可得Coss 190pF Coss近似等于Cds 而此充電板為兩個管子并聯(lián) 所以Cds 380pF 由上式可求得f 3 3MHz 和右圖中的振蕩頻率吻合 從圖中可看出此振蕩是一衰減的振蕩波 其初始的振蕩峰值決定于振蕩電路的Q值 Q值越大 峰值就越大 Q值小 則峰值小 為了減小峰值 可減小變壓器的漏感Lep 加大Cds和電路的阻抗R 而加入Snubber電路是極有效之方法 8 Q1振蕩1形成的共模電流路徑 共模電流路徑 以Cds為考察對象 9 Q1振蕩1形成的差模電流路徑 差模電流路徑 以Cds為考察對象 10 2 3 3Q1振蕩2形成機(jī)理 振蕩2發(fā)生在MosfetQ1關(guān)斷 副邊二極管由通轉(zhuǎn)向關(guān)斷 原邊勵磁電感被釋放 這時Cds被充至2Vc1 Cds和原邊線圈的雜散電容Clp為并聯(lián)狀態(tài) 再和原邊電感Lp 勵磁電感和漏感之和 發(fā)生振蕩 放電回路同振蕩1 振蕩頻率為 在Lp上的振蕩電壓Vlp迭加在Vc1上 致使Vds Vc1 Vlp 量測Lp 0 4mH Q1為2611 查規(guī)格書可得Coss 190pF Coss近似等于Cds 而此充電板為兩個管子并聯(lián) 所以Cds 380pF Clp在200KHz時測得為Clp 1 6nF 由上式可求得 f 178 6KHz 和右圖中190 5K吻合 振蕩2產(chǎn)生的共模差模noise的路徑 振蕩2同樣將產(chǎn)生共模 差模noise 其路徑和振蕩1的分析相同 在此略去 請參照振蕩1的分析 Q1上Vds 11 2 4D1動作時產(chǎn)生的noise Diode動作時產(chǎn)生的Noise 主要來自三個方面 Diode開通 關(guān)斷時 具有很寬的頻譜含量 開關(guān)頻率的諧波本身就是較強(qiáng)的干擾源 關(guān)斷時的振蕩1產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾 關(guān)斷時的振蕩2產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾 Channel1 D1兩端電壓Channel2 Q1的Vds 12 2 4 1D1開關(guān)頻率諧波干擾分析 分析方法和Q1的開關(guān)頻率一致 2 4 2D1振蕩1的分析 可看出振蕩1是發(fā)生在MosfetQ1導(dǎo)通輸出二極管D1關(guān)斷時 此時 副邊勵磁電感被鉗制 副邊漏感和二極管雜散電容發(fā)生振蕩 Les上的振蕩電壓Vles和副邊勵磁電感的電壓迭加在Diode上 致使Vdiode 2Vc2 Vles Vles為副邊漏感上的振蕩電壓的幅值 展開振蕩1的波形 如右上圖 量測Les 1 2uH D1為086 00085 00查規(guī)格書 可得Cj 50pF 而此充電板的副線圈并聯(lián)有一個 的電容 所以此時等效的Cj應(yīng)為兩者只和 Cj 50 10000 10000pF 由上式可求得f 1 45MHz 和上圖中的頻率吻合 此振蕩將產(chǎn)生共模和差模noise 下面將其產(chǎn)生共模和差模的路徑分別加以分析 13 D1振蕩1形成的共模電流路徑 共模電流路徑 以Cj為考察對象 14 D1振蕩1形成的差模電流路徑 差模電流路徑 以Cj為考察對象 15 2 4 3D1振蕩2的分析 D1振蕩2的形成機(jī)理 D1振蕩2則是由于一次側(cè)Mosfetnoise產(chǎn)生的Q1振蕩2通過變壓器的復(fù)制作用而傳到了副邊 它形成共模 差模noise的路徑 和振蕩1一致 另 電路中所使用IC的晶振 RC振蕩 脈沖輸出等也是EMI干擾的來源之一 16 2 5Flyback架構(gòu)noise在頻譜上的反應(yīng) 沒有加改良措施之前的原始EMI效果 2KS 3KS充電板 開關(guān)頻率為50KHz Q1振蕩1的頻率為 1 316MHz振蕩2的頻率為 190 5KHzD1振蕩1的頻率為 3 3MHz振蕩2的頻率為 190 5KHz 17 三 改善措施分析 我們可實行的改善措施有兩個 1 減小Noise的大小 2 切斷或改善傳播途徑 3 1減小Noise的大小 首先考慮以下三個方面 Mosfet Diode動作時 具有很寬的頻譜含量 開關(guān)頻率的諧波本身就是較強(qiáng)的干擾源 措施 在滿足所要求的效率 溫升條件下 我們可盡量選開關(guān)較平緩的管子 而通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電阻也可達(dá)到這一目的 紅色 47歐姆的驅(qū)動電阻蘭色 62歐姆的驅(qū)動電阻可看出 在低頻段效果不明顯 而在高頻段 8MHz 62歐姆的驅(qū)動電阻明顯好于47歐姆的驅(qū)動電阻 這是因為 62歐姆的驅(qū)動電阻將減緩驅(qū)動信號的上升 下降沿 這樣能限制信號的帶寬 18 3 1減小Noise的大小 Q1 D1的振蕩1會產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾 措施 對寄生電容Cds Cj的處理 在Q1的ds極 二極管的兩端各并上一681小電容 來降低電路的Q值 從而降低振蕩的振幅A 同時能降低振蕩頻率f 需注意的是 此電容的能量1 2Cu2將全部消耗在Q1上 所以管子溫升是個問題 解決的辦法是使用RCsnubber 讓能量消耗在R上 同時R能起到減小振幅的作用 7 對變壓器的漏感Le的處理 1 變壓器采用三明治繞法 以減小漏感 2 在變壓器的繞組上加吸收電路 3 減小Q1D極到變壓器的引線長度 此引線電感和漏感相迭加 采取上述措施降低振蕩1的影響之后 得右圖 紅色 改善之前蘭色 采取措施之后 19 3 1減小Noise的大小 Q1D1上的振蕩2會產(chǎn)生較強(qiáng)干擾 分析方法和 相同 但此時電感已變得很大了 主要為為勵磁電感 因此漏感和引線電感對 的影響相對較小 20 3 2改善傳播途徑 同樣從上節(jié)的分析中 可看出Nosie的傳播途徑主要是通過變壓器的雜散電容Ctx Mosfet Diode到散熱片的雜散電容Cm Cd 及散熱片到地的雜散電容Ce等途徑而耦合到LISN被取樣電阻所俘獲 措施一 在Rs的地端和C2的地間接一個Y電容 原理分析 它的作用是雙重的 一是為Mosfet動作產(chǎn)生且串到變壓器副邊的noise電流 如I4 提供一個低阻抗的回路 減小到地的電流 二是為二次側(cè)Diode產(chǎn)生的且串到變壓器原邊的noise電流提供低阻抗回路 從而減小流過LISN的電流 其效果如右圖 紅色 未改善之前蘭色 采取措施之后 21 3 2改善傳播途徑 措施二 變壓器加法拉第銅環(huán) 變壓器是Noise傳播的主要通道之一 其中初級線圈和次級線圈間雜散電容Ctx是重要因素 而在變壓器內(nèi)部加法拉第銅環(huán)是減小Ctx的有效的方法之一 效果如右下圖 紅色 未加法拉第銅環(huán) 22 3 2改善傳播途徑 措施三 散熱片接Rs的地端 目的為了將散熱片 Ce 地 LISN這一支路旁路掉 從而減小到地的電流 其效果如下圖 可看出 在低頻時較有效 在高頻時 效果不明顯 這主要是因為在高頻時 管腳直接對地的電容已有相當(dāng)?shù)淖饔?紅色 散熱片未接地蘭色 散熱片接地 23 3 3綜合的EMI效果 當(dāng)綜合上述所有措施后 EMI總效果對比如圖所示 紅色 未采取措施前蘭色 綜合上述措施后 24 四 實際效益 C1KS的充電板 710 01614 02 專門配有一濾波板 710 01587 01 現(xiàn)計劃將其去掉 按照以上的分析 對單個充電板模塊 在原基礎(chǔ)上 做以下動作 1 在Q501的ds極加一RCSnubber 471電容 200歐姆 D501上并一471電容 2 在Rs的地端和次級輸出電容的地間接一Y電容 472 3 在市電輸入端接一X電容 0 47uF 4 散熱片接Rs的地 因時間關(guān)系 變壓器沒來得及打樣 未動作 紅色 充電板原始的EMI效果蘭色 上述動作之后的EMI效果 25 四 實際效益 單個模塊做好之后