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电子产品&设备:FLY-30MHZ-50MHZ EMI辐射问题的时域波形理论分析!

EMC在电子产品/设备已经成为可靠性的重要组成部分;将越来越被重视!特别对于我们的工业&消费类产品要求满足其相应的认证和出口要求,对应的国家政策也在不断完善;同时国际贸易的深化发展;EMC技术成为电子产品/设备必过的硬性指标!随着电子产品/设备的供电系统都开始大量运用高频开关电源并且也越来越高端化;因此对电源环境的要求就越来越高;EMC将是越来越重要!

电子产品/设备我们经常碰到的EMI的问题;我的讲座及我的公众号都有剖析EMI-传导设计的方案和总结!看过我的文章和听过我的课的电子设计师们;给我的反馈结果;目前碰到EMI问题根据您的EMI滤波器设计法则 确实解决了我们的EMI-传导问题;让非常多的人受益!

电子产品/设备EMI-辐射的问题;大多数的设计者们都没法入门槛!比如我们的电子产品/设备经常会出现30MHZ-50MHZ 特别是30MHZ左右的EMI-辐射问题;有时还兼而有之!我也有进行理论分析;我的《开关电源:EMC的分析与设计》

讲实战方法!

我的分析是基于我近20年的开关电源产品设计和开发进行总结;如果不是有这么多年的开关电源设计经验和对EMI(电磁场的理论)的功底,一般还没有人细致去研究;如果30MHZ左右对大多数的设计来说有很高几率出现那这个30MHZ的频率一定是由器件寄生参数及回路的谐振而产生;亦即:f=1/(SQRT(2ЛLC)),如果是谐波分量F=1/(ЛTr)的机制出现几率就会不被关注了!我的文章有进行参数的计算和MOS管具体参数的分析;前面的文章EMI是对频域的分析;如果将频域和时域进行结合起来那么对开关电源系统和EMI的正向设计变得简单!!

我以开关电源系统-FLY为例先了解开关电源的基本知识:

开关电源-FLY原理方案设计如下:

开关电源系统主要器件为:开关MOS管,开关变压器,输出整流二极管;同时这三个器件也是EMI的产生的骚扰源头;开关电源-FLY其变压器的架构都会设计有气隙的磁芯变压器,当主开关器件MOSFET导通时,能量以磁通形式存储在变压器中,并在MOSFET关断时传输到输出端。由于变压器需要在MOSFET导通期间存储能量,磁芯都要有气隙(大部分能量在气隙中),基于这种特殊的功率转换过程,所以FLY反激式变换器可以设计转换传输的功率有一定的限制,但很适用低成本中低功率应用的电子产品&设备的供电系统的应用!

再来看一下FLY反激变换器的工作机理如下图:

FLY反激变换器在正常工作情况下,当MOSFET关断时,初级电流(Id)在短时间内为 MOSFET的Coss(即Cgd+Cds)充电,当Coss两端的电压Vds超过输入电压及反射的输出电压之和(Vin+nVo)时,次级二极管导通,初级电感Lp两端的电压被箝位至nVout。因此初级总漏感Lk(即Lkp+n2×Lks)和Coss之间发生谐振,产生高频&尖峰高压,如MOS管上的过高的电压可能导致产品的可靠性问题。

参考上图:FLY-反激式变换器可以工作在连续导通模式(CCM)和不连续导通模式(DCM)模式下;

当工作在CCM模式时,次级二极管保持导通直至MOSFET栅极导通,而MOSFET导通时,次级二极管的反向恢复电流被添加至初级电流,因此在导通瞬间初级电流上出现较大的电流尖峰;

当工作在DCM模式时,由于次级电流在一个开关周期结束前电流为零,可以实现零电流的开关模式;这个DCM模式下对EMI是有利的;因此我一般是建议电子产品&设备使用FLY开关电源系统时要设计工作在DCM模式下;但此时会出现Lp和MOSFET的Coss之间发生谐振!以下进行Data分析;

如上图所示的包含寄生元件的FLY变换器结构图,其中Cgs、Cgd和 Cds分别为开关管MOSFET的栅源极、栅漏极和漏源极的杂散电容,Lp、Lkp、Lks和Cp分别为变压器的初级电感、初级电感的漏感、次级电感的漏感和原边线圈的杂散电容,Cj为输出二极管的结电容。

注意:开关MOS-S脚到C1的红色走线与Coss& Lkp与Coss的谐振会造成我们30MHZ-50MHZ的频域EMI辐射问题!

在开关管开通瞬间,由于电容两端电压不能突变,杂散电容Cp两端电压开始是上负下正,产生放电电流,随着开关管逐渐开通,电源C1电压Vin对杂散电容Cp充电,其两端电压为上正下负,形成流经开关管和Vin的电流尖峰;

同时Cds电容对开关管放电,也形成电流尖峰,但是此尖峰电流不流经Vin,只在开关管内部形成回路;另外,如果变换器工作在CCM模式时,由于初级电感Lp两端电压缩小,输出二极管D开始承受反偏电压关断,引起反向恢复电流,该电流经变压器耦合到原边侧,也会形成流经开关管和Vin的电流尖峰。

在开关管开通阶段,输出二极管D截止,电容Cp两端电压为Vin,通过初级电感Lp的电流指数上升,近似线性上升。

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