Elektronisches Design - PCB Design und EMI Schaltfrequenzanalyse

Ausführliche Erläuterung der PCB-Design Schaltfrequenz und EMI: Bisher, Ingenieure haben sich darauf konzentriert, das Modul kleiner und leichter zu machen. In der Tat, Jeder weiß, dass die Leistungsdichte des Produkts durch Erhöhung der Schaltfrequenz verbessert werden kann. Aber warum hat sich die Lautstärke des Moduls bisher nicht stark verändert? Was begrenzt die Erhöhung der Schaltfrequenz?

Schaltnetzteile werden von Marktanwendungen angetrieben und erfordern zunehmend kleine, leichte, hocheffiziente, strahlungsarme und kostengünstige Eigenschaften, um verschiedene elektronische Endgeräte zu erfüllen. Um die Portabilität aktueller elektronischer Endgeräte zu erfüllen, muss das Schaltnetzteil klein und klein sein. Aufgrund seines geringen Gewichts ist die Verbesserung der Betriebsfrequenz von Schaltnetzteilen zu einem Thema geworden, das Konstrukteuren zunehmend Sorgen bereitet. Welche Faktoren schränken jedoch die Erhöhung der Schaltnetzfrequenz ein? In der Tat umfasst es hauptsächlich drei Aspekte, Schalterrohr, Transformator, EMI und PCB-Design.

1. Schaltrohr und Schaltfrequenz

Das Schaltrohr ist die Kernvorrichtung des Schaltnetzwerkmoduls, und seine Schaltgeschwindigkeit und Schaltverlust beeinflussen direkt die Grenze der Schaltfrequenz. Im Folgenden finden Sie eine allgemeine Analyse für alle.

1. Schaltgeschwindigkeit

Der Verlust der MOS-Röhre besteht aus Schaltverlust und Fahrverlust, wie in Abbildung 1 gezeigt: Einschaltverzögerungszeit td(ein), Anstiegszeit tr, Ausschaltverzögerungszeit td(aus), Fallzeit tf.

Für diese MOS-Röhre ist ihre Grenzschaltfrequenz: fs=1/(td(an)+tr+td(aus)+tf) Hz=1/(8ns+91ns+38ns+32ns) =5.9MHz, in tatsächlicher Form In der Konstruktion, da der Betriebszyklus des Schalters gesteuert wird, um Spannungsregelung zu erreichen, kann das Ein- und Ausschalten des Schaltrohrs nicht sofort abgeschlossen werden, das heißt, die tatsächliche Grenzschaltfrequenz des Schalters ist viel kleiner als 5.9MHz, So begrenzt die Schaltgeschwindigkeit des Schaltrohres selbst die Erhöhung der Schaltfrequenz.

2. Schaltverlust

Wenn das Schaltrohr jedes Mal ein- und ausgeschaltet wird, überlappen sich die VDS-Spannung des Schaltrohrs und die durch das Schaltrohr fließende Strom-ID für die Zeit (gelb schattierte Position in der Abbildung), was zu Verlust P1 führt, dann der Gesamtverlust PS im Betriebszustand der Schaltfrequenz fs =P1 *fs, das heißt, wenn die Schaltfrequenz steigt, Je öfter der Schalter ein- und ausgeschaltet wird, desto größer ist der Verlust.

2. Transformatorkernverlust und Schaltfrequenz

Der Eisenverlust des Transformators wird hauptsächlich durch den Wirbelstromverlust des Transformators verursacht.

Wenn ein Hochfrequenzstrom auf die Spule angelegt wird, wird innerhalb und außerhalb des Leiters senkrecht zur Stromrichtung ein wechselndes Magnetfeld erzeugt (1-2-3 und 4-5-6 in der Abbildung). Nach dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion erzeugt das sich verändernde Magnetfeld eine induzierte elektromotorische Kraft im Inneren des Leiters. Diese elektromotorische Kraft erzeugt Wirbelströme (a-b-c-a und d-e-f-d) über die gesamte Länge des Leiters (L-Fläche und N-Fläche)., Der Hauptstrom und Wirbelstrom verstärken sich auf der Oberfläche des Leiters, und der Strom neigt zur Oberfläche. Dann wird die effektive AC-Querschnittsfläche des Drahtes reduziert, was zu einer Erhöhung des Wechselstromwiderstands des Leiters (Wirbelstromverlustkoeffizient) und einem erhöhten Verlust führt. Der Eisenverlust des Transformators ist proportional zur kf-Leistung der Schaltfrequenz und hängt auch mit der Begrenzung der magnetischen Temperatur zusammen. Wenn die Schaltfrequenz steigt, erzeugt der in der Spule fließende Hochfrequenzstrom daher einen ernsthaften Hochfrequenzeffekt, der die Umwandlung des Transformators reduziert. Effizienz, die zu einer Erhöhung der Temperatur des Transformators führt, wodurch die Erhöhung der Schaltfrequenz begrenzt wird.

3. EMI- und PCB-Design und Schaltfrequenz

Assuming that the above-mentioned power device losses are solved, Eine Reihe von technischen Problemen muss gelöst werden, um Hochfrequenz zu erreichen, weil bei hoher Frequenz, Induktivität ist nicht mehr die Induktivität, die wir kennen, und die Kapazität ist nicht die Kapazität, die wir kennen. Alle parasitären Parameter Entsprechende parasitäre Effekte werden generiert, die die Leistung des Netzteils ernsthaft beeinträchtigen wird, such as parasitic capacitance on the primary and secondary sides of the Transformator, Leckinduktivität des Transformators, parasitäre Induktivität und parasitäre Kapazität zwischen Leiterplattenverdrahtung, die eine Reihe von Spannungs- und Stromwellenformschwingungen und EMI-Problemen verursachen wird. The voltage stress of the Schaltrohr is also a test.

Vier, Zusammenfassung

Zur Erhöhung der Leistungsdichte von Schaltnetzteilen, Leiterplattenfabriken müssen zuerst überlegen, ihre Schaltfrequenz zu erhöhen, das Volumen der Transformatoren effektiv reduzieren kann, Filterinduktivitäten, und Kondensatoren, aber sie sind mit Verlusten durch Schaltfrequenz konfrontiert, die zu Temperaturanstieg und Wärmeableitung führen. Schwierig, Die Erhöhung der Frequenz wird auch eine Reihe von technischen Problemen wie Antrieb und EMI verursachen.