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【技術(shù)帖】寄生電容對(duì)反激開關(guān)電源的性能影響及改善

發(fā)布時(shí)間 2021-09-29 |

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功率開關(guān)管的Coss、變壓器繞線間的匝間及層間電容、PCB布線的寄生電容影響著反激開關(guān)電源的多項(xiàng)性能指標(biāo)。本期，芯朋微技術(shù)團(tuán)隊(duì)結(jié)合芯片控制與系統(tǒng)應(yīng)用，為各位粉絲分享如何優(yōu)化或利用寄生電容來(lái)改善峰值電流控制、轉(zhuǎn)換效率及EMC性能。

寄生電容對(duì)峰值電流控制的影響

原理分析

考慮寄生電容的反激變換器簡(jiǎn)化電路如圖1所示，其中Ceq1主要來(lái)自于開關(guān)管Q1，Ceq2主要來(lái)自于變壓器T1。

圖1 反激變換器簡(jiǎn)化示意圖

如圖2所示，Q1開通時(shí)刻由Clock信號(hào)決定，Q1關(guān)斷則分為兩種情況：

1.Gate信號(hào)置低由ic(t)觸發(fā)

Q1開通瞬態(tài)，Ceq1和Ceq2通過(guò)Q1開始放電，其中ic(t)會(huì)在Rcs形成電壓，當(dāng)高于Vcs_ref時(shí)，則Gate置低；

2.Gate信號(hào)置低由ip(t)觸發(fā)

Q1完全導(dǎo)通后，ip(t)線性增長(zhǎng)，當(dāng)Vcs(t)高于峰值電流Vcs_ref時(shí)，Gate信號(hào)置低。

圖2 峰值電流控制示意圖

由以上分析可知，Gate信號(hào)由ic(t)觸發(fā)的情況會(huì)影響正常帶載，應(yīng)避免發(fā)生，改善措施如下：

1.控制芯片通過(guò)增加LEB時(shí)間(100~350ns)，即t0-t2時(shí)刻內(nèi)屏蔽Vcs信號(hào)；

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì) 優(yōu)化變壓器，減小寄生電容Ceq2。

案例分享

以PN8368 9V0.6A電源為例，在265Vac輸入工況下帶載異常，工作波形如圖3所示，寄生電容放電電流導(dǎo)致了誤關(guān)斷；通過(guò)增加變壓器層間膠帶減小寄生電容Ceq2，電源帶載正常，工作波形如圖4所示。

圖3 帶載異常工作波形

圖4 正常帶載工作波形

寄生電容對(duì)開關(guān)損耗的影響

原理分析

Q1的電壓電流工作波形如圖5所示，其開通損耗和關(guān)斷損耗分別如下：

可見(jiàn)，開關(guān)損耗與寄生電容及開關(guān)頻率成正比，改善措施如下：

1.控制芯片通過(guò)偵測(cè)變壓器工作波形，在諧振的谷底時(shí)刻開通Q1，從而減小開通損耗；

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì) 選擇開關(guān)速度較快的功率開關(guān)管，減小寄生電容Ceq1及電壓電流交叉時(shí)間；優(yōu)化變壓器，減小寄生電容Ceq2。

圖5 DCM模式下Q1工作波形

案例分享

以PN8162+PN8307H 20W PD快充為例，QR和非QR狀態(tài)下的工作波形如下：

圖6 QR狀態(tài)下的工作波形

圖7 非QR狀態(tài)下的工作波形

實(shí)驗(yàn)表明：控制芯片工作在QR狀態(tài)比非QR狀態(tài)可減小開通損耗約0.2W，從而顯著提升充電器的功率密度。

寄生電容對(duì)EMC特性的影響

原理分析

反激電源共模噪聲分析模型如圖8所示，建模過(guò)程詳見(jiàn)《反激式開關(guān)電源EMI設(shè)計(jì)與整改》。

圖8 反激電源共模噪聲分析模型

根據(jù)干擾電壓幅值優(yōu)化變壓器屏蔽圈數(shù)，通過(guò)改變寄生電容進(jìn)而減小共模電壓。工程經(jīng)驗(yàn)表明：共模平臺(tái)干擾電壓在2V以內(nèi)，為傳導(dǎo)達(dá)標(biāo)的充分條件，輻射達(dá)標(biāo)的必要條件。

案例分享

以PN8680 12V1A適配器為例，變壓器初級(jí)繞組：0.21mm*102Ts；屏蔽繞組：0.21mm*12Ts；輔助繞組：0.21mm*12Ts；次級(jí)繞組：0.5mm*10Ts。共模噪聲與傳導(dǎo)初測(cè)結(jié)果如圖9所示：

圖9 共模噪聲與傳導(dǎo)初測(cè)結(jié)果

屏蔽圈數(shù)由12Ts調(diào)整至15Ts，共模噪聲與傳導(dǎo)優(yōu)化測(cè)試結(jié)果如圖10所示：

圖10 共模噪聲與傳導(dǎo)優(yōu)化測(cè)試結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)整變壓器寄生電容，實(shí)現(xiàn)共模電流抵消，可明顯改善傳導(dǎo)性能。

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