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EMI及PCB设计与开关频率

发表时间:2018-5-30 14:59:13 
电源模块发展至今,工程师们都着眼于如何将模块做得更为小型化,轻量化,其实大家都明白可以通过提升开关频率来提高产品的功率密度。但为什么迄今为止模块的体积没有变化太大?是什么限制了开关频率的提升呢?
 
开关电源产品在市场的应用主导下,日趋要求小型、轻量、高效率、低辐射、低成本等特点满足各种电子终端设备,为了满足现在电子终端设备的便携式,必须使开关电源体积小、重量轻的特点,因此,提高开关电源的工作频率,成为设计者越来越关注的问题,然而制约开关电源频率提升的因素是什么呢?其实主要包括三方面,开关管、变压器和EMI及PCB设计。
 
一、开关管与开关频率
 
开关管作为开关电源模块的核心器件,其开关速度与开关损耗直接影响了开关频率的极限,下文为大家大概分析一下。

1、开关速度
 
MOS管的损耗由开关损耗和驱动损耗组成,如图1所示:开通延迟时间td(on)、上升时间tr、关断延迟时间td(off)、下降时间tf。





图1 MOS管开关示意图

以FAIRCHILD公司的MOS为例,如图2所示:FDD8880开关时间特性表。





图2 FDD8880开关时间特性表

对于这个MOS管,它的极限开关频率为:fs=1/(td(on)+tr+td(off)+tf) Hz=1/(8ns+91ns+38ns+32ns) =5.9MHz,在实际设计中,由于控制开关占空比实现调压,所以开关管的导通与截止不可能瞬间完成,即开关的实际极限开关频率远小于5.9MHz,所以开关管本身的开关速度限制了开关频率提高。
 
2、开关损耗
 
开关导通时对应的波形图如图3(A),开关截止时对应的波形图如图3(B),可以看到开关管每次导通、截止时开关管VDS电压和流过开关管的电流ID存在交叠的时间(图中黄色阴影位置),从而造成损耗P1,那么在开关频率fs工作状态下总损耗PS=P1 *fs,即开关频率提高时,开关导通与截止的次数越多,损耗也越大,如下图3所示。
 




图3 开关管损耗示意图

二、变压器铁损与开关频率
 
变压器的铁损主要由变压器涡流损耗产生,如图4所示。

给线圈加载高频电流时,在导体内和导体外产生了变化的磁场垂直于电流方向(图中1→2→3和4→5→6)。根据电磁感应定律,变化的磁场会在导体内部产生感应电动势,此电动势在导体内整个长度方向(L面和N面)产生涡流(a→b→c→a和d→e→f→d),则主电流和涡流在导体表面加强,电流趋于表面,那么,导线的有效交流截面积减少,导致导体交流电阻(涡流损耗系数)增大,损耗加大。
 




图4 变压器涡流示意图

如图5所示,变压器铁损是和开关频率的kf次方成正比,又与磁性温度的限制有关,所以随着开关频率的提高,高频电流在线圈中流通产生严重的高频效应,从而降低了变压器的转换效率,导致变压器温升高,从而限制开关频率提高。
 




图5 变压器铁损与开关频率关系图

三、EMI及PCB设计与开关频率
 
假设上述的功率器件损耗解决了,真正做到高频还需要解决一系列工程问题,因为在高频下,电感已经不是我们熟悉的电感,电容也不是我们已知的电容了,所有的寄生参数都会产生相应的寄生效应,严重影响电源的性能,如变压器原副边的寄生电容、变压器漏感,PCB布线间的寄生电感和寄生电容,会造成一系列电压电流波形振荡和EMI问题,同时对开关管的电压应力也是一个考验。

 

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