详解反激式变换器的高频回路

引言

反激式变换器的特点

●元器件最少、结构最简单；

●方便地实现电气隔离，而且仅需一级功率变换实现隔离的AC/DC、DC/DC、DC/AC和AC/AC；

●双向功率流，功率可以从几瓦到100多瓦；

●适配器、充电器、dc/dc模块电源、高压电源和LED电源等

头疼的噪声

●电路不能工作？

●音频噪声？

●输出不稳？

●电路保护总是误动作？

●输出纹波不正常？

●高频噪声从哪里来的？

●效率低？

●开关波形尖峰大？

●EMI性能超出Class B的限值？

●……

摘要

●深入分析 高频回路

●采取措施 抑制噪声

●均衡面对 设计冲突

●总结

深入分析 高频回路

◆常见的反激式(Flyback)变换器拓扑；

1.原边功率回路

2.副边功率回路

3.钳位吸收回路

4.驱动回路

5.辅助绕组回路

6.原边控制回路

7.副边控制回路

①原边功率回路

●原边晶体管开通和关断时，产生高频的di/dt和dv/dt回路1。

●回路1中Ids_Q1的电流主要成份是变压器原边电流IL，高频电流经电容C2、变压器原边、晶体管Q1、和采样电阻RS。

●Ids_Q1=IL+???，还有哪些回路的电流耦合到回路1中？

●Ids_Q1=IL+???，还有哪些回路的电流耦合到回路1中？

●变压器寄生电容的电流

--不同的三明治变压器结构会对EMI产生影响；

②副边功率回路

●原边晶体管开通时，产生高频的di/dt和dv/dt回路2 。

●回路2的副边整流二极管D2的反向恢复电流Irr_D2/n会耦合到回路1中。

●Ids_Q1=IL+Irr_D2/n+？？？，（“n”为变压器匝比)

●MBR10200在常温和高温反向阻断特性

--Prr=0.05mA*100V=0.005W@25C Tj

--Prr=20mA*100V=2W@100C Tj

●输出端的差模滤波电感和共模滤波电感

--差模电感Ld：只能起到差模滤波作用，后续的C7不能分担C6的纹波电流；

--共模电感Lc：由于漏感的存在，共模电感Lc可以同时起到共模和差模滤波的效果，而且C7能分担C6的纹波电流；

③钳位吸收回路

●原边晶体管开通时，产生高频的di/dt和dv/dt回路3 。

●回路3中的钳位二极管D1的反向恢复电流Irr_D1会加入到回路1中。

●Ids_Q1=IL+Irr_D2/n+Irr_D1+？？？

●钳位二极管D1的反向恢复特性对可靠性和 EMI有很大影响；

●FR107反向恢复特性 – 500nS典型值

●UF4007 – 75nS典型值

④驱动回路

●原边晶体管开通时，产生高频的di/dt和dv/dt回路4。

●回路4中的原边晶体管Q1的驱动电流Igs_Q1也会加入到回路1中。

●Ids_Q1=IL+Irr_D2/n+Irr_D1+Igs_Q1+？？？

●过快的开通晶体管对效率没有帮助，反而会造成高频噪声，通过变压器绕组耦合到输出；

⑤辅助绕组回路

●原边晶体管开通时，产生高频的di/dt和dv/dt回路5 。

●回路5中辅助绕组D3的反向恢复电流Irr_D3也耦合到回路1中。

●Ids_Q1=IL+Irr_D2/n+Irr_D1+Igs_Q1+Irr_D3

◆高频回路总结；

●原边晶体管开通时，产生高频的di/dt和dv/dt的5个回路。

●回路1中包含了5个回路直接或耦合过来的电流。

●处理好这些回路的布线是解决噪声问题的关键。

采取措施 抑制噪声

◆常见的抑制噪声措施

●变压器设计

●元器件选择

●布线技巧

--单点接地，避免回路间耦合；

--利用高频电容，缩小高频回路面积；

--通过布线，进一步地减小高频噪声；

--通过布线，尽量减小接地阻抗；

◆单点接地，避免回路间耦合

●关注最敏感的控制回路；

●控制回路、驱动回路，采样回路与功率回路的单点接地；

●辅助绕组回路的单点接地。

●控制回路、驱动回路，采样回路与功率回路的单点接地；

◆利用高频电容，减小回路面积

●通过高频电容C2、C8、C5和C7，减小回路1、2、3和5的面积；

◆通过布线，进一步减小高频噪声

●通过布线尽量地缩小高频回路面积；

●有利于减小高频回路的噪声。

●通过布线尽量地缩小高频回路面积；(布线实例）

●有利于减小高频回路的噪声。

◆通过布线，进一步减小高频噪声

●尽量利用大面积的铺地，减小高频噪声；

●多层板布线，尽量用专门一层作为地平面；

●有利于减小高频噪声。

◆通过布线，尽量减小接地阻抗

●良好的接地线宽度必须>100mil；

●<100mil地线宽度只能作为电气接地；

●地线尽量避免跳线、过孔连接或通过单一过孔连接；

●当地线和其它线路冲突时优先地线走线。

●过孔的寄生参数：寄生电容和寄生电感

--寄生电容

●过孔的寄生参数：寄生电容和寄生电感

--寄生电感

●过孔的寄生电感对接地阻抗造成的影响远大约寄生电容。

●考虑过孔的阻抗特性和PCB工艺，尽量避免打单一的过孔；

●通过打多个过孔降低过孔引起的阻抗，提高PCB质量；

●尽量避免地线通过过孔连接；

●如果不可避免，尽量通过多个过孔，尽量加大钻孔直径。

●大面积敷铜用隔热带与焊盘连接；

●为散热而敷铜，避免不对称性引起的PCB变形；

●敷铜与SMT器件两端焊盘应该保证散热对称性；

均衡面对 设计冲突

◆噪声与安规

●优先级最高，必须首先符合安规要求；

◆噪声与结构

●外形要求和连接器必须符合客户要求；

◆噪声与热

●需要符合安规、客户要求和可靠性要求；

◆噪声与工艺

◆噪声与可检测性

◆噪声与可维修性

总 结

◆抑制噪声必须从噪声回路着手；

◆变换器设计必须关注高频噪声回路；

◆在抑制噪声的同时必须权衡设计要点冲突；

◆好的设计需要设计团队紧密地合作。