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反激同步整流對EMI的影響
發(fā)布時間:2021-09-08 來源:Siran Wang 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】過去十年間,移動設(shè)備的快速發(fā)展讓手機應(yīng)用滲透到社會的方方面面。日常生活中,人們幾乎手機不離身。因此,大電池容量及快速充電速度成為手機最關(guān)鍵的殺手锏之一,這也對適配器提出了更高額定功率和更高功率密度的需求,且需求正呈指數(shù)級增長。
如今,5V/1A 輸出規(guī)格的適配器早已過時,新設(shè)計的輸出規(guī)格通常在2A 以上,輸出電壓更是高達 20V。長久以來,大部分手機市場領(lǐng)導(dǎo)者(如華為、Oppo 和Vivo),一直將大功率適配器作為配件隨附在手機包裝內(nèi)一同出售,這獲得了市場的積極反饋。而蘋果卻在2020 年的秋季新聞發(fā)布上,突然宣布取消附贈標(biāo)準(zhǔn) 5V/1A手機適配器,這一變化催生了零部件市場大功率適配器需求的再次繁榮。
這些大功率手機適配器采用的最常用解決方案仍然是反激式拓撲。然而,由于新的市場趨勢,采用 SR MOSFET 實現(xiàn)同步整流 (SR) 成為適配器設(shè)計方案的一大突破和創(chuàng)新。同步整流取代了傳統(tǒng)的肖特基二極管,成為適配器副邊主流解決方案。
同步整流基本原理
同步整流解決方案是采用 MOSFET 進行輸出電流整流,相比于二極管相對固定的正向壓降來說,MOSFET 的壓降與電流和導(dǎo)通電阻成正比(見圖 1)。MOSFET 對整流的傳導(dǎo)功率損耗有很大影響。換句話說,通過選擇具有理想導(dǎo)通電阻的 SR MOSFET,SR 解決方案可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)二極管解決方案更好的效率和散熱性能,而這正是大功率適配器設(shè)計最關(guān)鍵的需求。
圖1: MOSFET 和二極管之間的 I-V 特性差異
眾所周知,在副邊帶肖特基二極管的傳統(tǒng)反激式變換器應(yīng)用中,二極管的開關(guān)特性(尤其是反向恢復(fù)電流)對 EMI 性能有顯著影響。因此在實際應(yīng)用中必須謹慎處理。但用同步整流MOSFET代替二極管后,情況就完全不同了,因為MOSFET沒有理論上的反向恢復(fù)效應(yīng)。
然而,這并不一定意味著同步整流解決方案的 EMI 問題更少。相反,設(shè)計人員在設(shè)計帶 SR 的反激解決方案時應(yīng)更加謹慎,尤其是在EMI 噪聲源和耦合路徑方面。
同步整流對EMI噪聲源幅度的影響
要了解同步整流對 EMI 噪聲源的影響,首先要詳細了解同步整流的工作原理。大多數(shù)控制器基于漏源電壓 (VDS) 的直接檢測來驅(qū)動 SR MOSFET,因為它不需要與原邊進行通信且降低了總 BOM 成本。圖 2 顯示出SR MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷通常由兩個閾值來控制。它們都是負電壓閾值,可以確保 SR MOSFET 在反向偏置時始終安全關(guān)斷。
圖2: 反激SR解決方案的基本工作原理
由上圖可以看出,兩端的體二極管有很短的導(dǎo)通時間:剛好在器件導(dǎo)通之前和 SR MOSFET 關(guān)斷之后。因此,時序控制對 SR 控制器來說至關(guān)重要,因為這兩個導(dǎo)通時間會引入額外的傳導(dǎo)損耗(時間越長損耗越嚴重)。 而且,如果關(guān)斷時間過長,則可能會因為MOSFET體二極管比較差的特性而導(dǎo)致SR關(guān)斷后出現(xiàn)嚴重的反向恢復(fù)電流。
圖 3 顯示了體二極管的反向恢復(fù)電流由于 SR 提前 400ns 關(guān)斷而上升到 9A,然后由于漏電感又導(dǎo)致 80V 高壓尖峰。眾所周知,EMI問題與噪聲源的脈沖幅度和斜率密切相關(guān)。這相當(dāng)于反激變換器副邊更強的 EMI 噪聲源。
圖3: SR 提前關(guān)斷導(dǎo)致的高尖峰電流和電壓
如果 SR 關(guān)斷太晚,也會出現(xiàn)類似問題。圖 4 顯示了在由于傳播和驅(qū)動延遲導(dǎo)致電流反向之后SR關(guān)斷的結(jié)果。因為原邊和副邊MOSFET 同時導(dǎo)通,將導(dǎo)致短時間的直通。結(jié)果,負電流上升到高達10A,它會在 SR MOSFET 關(guān)斷后導(dǎo)致 87V的高壓尖峰。
圖4: SR關(guān)斷延遲引起的高尖峰電流和電壓
為了緩解這些問題,良好控制 SR 導(dǎo)通和關(guān)斷的時間至關(guān)重要。圖 5 顯示了MPS提供的一款快速關(guān)斷智能 SR 控制器,MP6908。作為反激式同步整流控制器的市場領(lǐng)導(dǎo)者,MP6908采用了目前業(yè)界最先進的 SR 控制方案,其精密尖端的信號處理、專有柵極電壓調(diào)節(jié)功能和超快關(guān)斷速度實現(xiàn)了最佳的同步整流時序控制。
圖5: MPS MP6908 在反激方案中的典型應(yīng)用
通過控制導(dǎo)通和關(guān)斷時序,MP6908的電流和電壓(分別為 4A 和 62V)都只有一個相對較低的尖峰(見圖 6),這對降低 EMI 噪聲非常有效。
圖 6:MP6908 優(yōu)化的時序控制保證了低尖峰電流和電壓
SR 對 CM 降噪效果的影響
市面上許多反激式同步整流解決方案都建議將 SR 放置在副邊繞組的低側(cè),因為 SR 控制器直接從輸出獲得偏置電源要簡單得多。但傳統(tǒng)的肖特基二極管總是放在高側(cè),這說明這個位置也有其益處。事實上,在共模 (CM) 噪聲消除效果方面,反激式變換器中高側(cè)和低側(cè) SR 配置之間存在很大差異(參見圖 7)。
a) 采用低側(cè) SR 的 CM 噪聲耦合路徑
b) 采用高側(cè) SR 的 CM 噪聲耦合路徑
圖 7:高側(cè) SR 和低側(cè) SR 之間的比較
反激式變換器的每一側(cè)(原邊和副邊)都有一個主 CM 噪聲源,即開關(guān)器件和變壓器繞組連接在一起的位置(見圖 7)。
圖 7a 顯示了同步整流器放置在低側(cè)時的情況。原邊共模噪聲源和副邊共模噪聲源位于具有不同磁極的繞組末端。因此,兩個噪聲源的切換方向總是相反的。 由于兩個噪聲源位于變壓器的兩側(cè),因此每個噪聲源產(chǎn)生的 CM 噪聲具有累加效應(yīng),會產(chǎn)生更多噪聲。
圖 7b 顯示了當(dāng) SR 放置在高側(cè)時,兩個噪聲源位于具有相同磁極的繞組末端。在這種情況下,兩個噪聲源的切換方向始終是相同的,兩者之間存在抵消作用。
基于以上對 CM 噪聲耦合的分析,高側(cè) SR 配置在 EMI 性能方面比低側(cè)配置具有明顯的優(yōu)勢。在實際應(yīng)用設(shè)計中,高側(cè)和低側(cè)配置之間出現(xiàn) 3dB 或更大的差異也很常見。
結(jié)論
帶SR 的反激式適配器設(shè)計與帶肖特基二極管的傳統(tǒng)配置不同。采用同步整流解決方案的兩個主要目的是提高效率和散熱性能。但同時也需要考慮其他方面,例如 EMI 性能。
借助控制良好的反激式同步整流解決方案,設(shè)計人員可以實現(xiàn)更佳性能、更低的器件額定功率、更高的產(chǎn)品可靠性并能最大限度地降低 EMI 噪聲。與此同時,MPS 的MP6908等器件內(nèi)部集成了一個高壓穩(wěn)壓器,無需任何外部電路即可提供自偏置電源。再配合以高側(cè) SR,不僅可以開發(fā)出更尖端的適配器設(shè)計,還可以降低 BOM 成本,而且無需擔(dān)心EMI 問題。
來源:MPS
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