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变压器和EMI以及PCB设计

自从开发电源模块以来,工程师们一直专注于如何制作模块更紧凑轻巧。事实上,每个人都知道,通过提高开关频率可以提高产品的功率密度。但到目前为止,为什么模块的音量没有改变?是什么限制了开关频率的增加?

开关电源产品以市场为主导,并且越来越需要小巧,轻便,高效,低辐射,低成本等特性为满足各种电子终端设备,为了满足目前便携式电子终端设备,开关电源必须小,重量轻的特点,因此,增加开关电源的工作频率已成为设计人员的一个问题正在越来越多地关注。但是,限制开关电源频率增加的因素有哪些?实际上,它主要包括三个方面,开关管,变压器和EMI以及PCB设计

T切换电子管和开关频率

开关管是开关电源模块的核心器件。其开关速度和开关损耗直接影响开关频率的限制。以下是对每个人的分析。

(1)开关速度

MOS晶体管的损耗由开关损耗和驱动损耗组成,如图1所示:开启延迟时间(开启),上升时间,关闭延迟时间(关闭)和下降时间。

变压器和EMI以及PCB设计 华强PCB

图1DMOS管开关的字形

如图2所示:FDD8880切换时间特性表。

图2 FDD8880切换时间特性表

对于这个MOS管,它的限位切换频率为:fs = 1/(td(on)+ tr + td(off)+ tf)Hz = 1/(8 ns + 91 ns + 38 ns + 32 ns)= 5.9 MHz,实际上在设计中,由于控制开关占空比实现电压调节,导通和截止开关管不能瞬间完成,也就是说,开关的实际开关频率远小于5.9 MHz,因此开关管本身的开关速度限制了开关频率。

(2)开关损耗

开关打开时的相应波形图如图3(A)所示。开关关闭时的相应波形图如图3(B)所示。可以看出,每次开关管接通和断开时,开关晶体管的VDS电压和通过开关管的流量都被接通和断开。当前ID具有重叠时间(图中的黄色阴影位置),导致损耗P1,然后在开关频率fs的操作状态下的总损耗PS = P1 * fs,即开关转动的次数当开关频率增加时开启和关闭损耗越大,损耗越大,如下面的图3所示。

(3)开关管损耗

变压器铁损和切换频率

变压器的铁损主要是由变压器的涡流损耗引起的,如图4所示。

当线圈上施加高频电流时,导体内部和垂直于导体的导体外部会产生变化的磁场目前的方向(图中1→2→3和4→5→6)。根据电磁感应定律,变化的磁场在导体内部产生感应电动势,该电动势在导体的整个长度方向(L侧和N侧)产生涡流(a→b→c→ a和d→e→f→d)。然后,主导电流和涡流在导体表面上得到加强,并且电流趋向于表面。然后,导线的有效交流横截面积减小,导致导体的交流电阻(涡流损耗系数)增加,损耗增加。

变压器涡流的图形

如图5所示,变压器铁损与开关频率的kf功率,与磁温度限制有关。因此,随着开关频率增加,高频电流在线圈中流动以产生严重的高频效应。从而降低了变压器的转换效率,导致变压器温度升高,从而限制了开关频率。

图5变压器图铁损和开关频率

EMI和PCB设计和开关频率

假设上述功率器件损耗已解决,真正的高频还需要解决一系列工程问题,因为在高频时,电感不是大家熟悉的电感,电容不是大家所知的电容,所有的寄生参数。会发生相应的寄生效应,这将严重影响电源的性能,例如变压器初级侧的寄生电容,变压器的漏感,寄生电感和PCB布线之间的寄生电容,这将导致一系列电压和电流波形振荡和EMI问题。开关管的电压应力也是一个测试

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