Diseño electrónico - Diseño de PCB y análisis de frecuencia de conmutación EMI

Diseño de PCB y detalles de la frecuencia de los interruptores emi: hasta ahora, los ingenieros se han centrado en cómo hacer los módulos más pequeños y ligeros. De hecho, todo el mundo sabe que aumentar la frecuencia del interruptor puede aumentar la densidad de potencia del producto. ¿Pero, ¿ por qué el volumen del módulo no ha cambiado mucho hasta ahora? ¿¿ qué limita el aumento de la frecuencia del interruptor?

Los productos de alimentación de conmutación están impulsados por aplicaciones de mercado y necesitan cada vez más características pequeñas, ligeras, eficientes, de baja radiación y de bajo costo para satisfacer las necesidades de varios equipos terminales electrónicos. Para satisfacer la portabilidad de los equipos terminales electrónicos actuales, la fuente de alimentación del interruptor debe ser cada vez más pequeña. Debido a su peso ligero, aumentar la frecuencia de trabajo de la fuente de alimentación del interruptor se ha convertido en una preocupación cada vez mayor para los diseñadores. ¿Sin embargo, ¿ cuáles son los factores que limitan el aumento de la frecuencia de la fuente de alimentación del interruptor? De hecho, incluye principalmente tres aspectos, el diseño de tubos de conmutación, transformadores, EMI y pcb.

1. tubo de conmutación y frecuencia de conmutación

El tubo de conmutación es el dispositivo central del módulo de alimentación del interruptor, y su velocidad de conmutación y pérdida de conmutación afectan directamente el límite de la frecuencia del interruptor. El siguiente es un análisis general de cada persona.

1. velocidad de conmutación

La pérdida del tubo mos se compone de la pérdida del interruptor y la pérdida de conducción, como se muestra en la figura 1: tiempo de retraso de conducción TD (on), tiempo de subida tr, tiempo de retraso de apagado TD - off, tiempo de descenso TF.

Para este tubo mos, su frecuencia de conmutación límite es: FS = 1 / (td (on) + tr + TD (off) + tf) Hz = 1 / (8ns + 91ns + 38ns + 32ns) = 5,9 mhz. en el diseño, debido al control del ciclo de trabajo del interruptor para lograr la regulación de voltaje, la conducción y el corte del tubo del interruptor No se pueden completar instantáneamente, es decir, la frecuencia real de conmutación límite del interruptor es mucho menor que 5,9 mhz. Por lo tanto, la velocidad del interruptor en sí limita el aumento de la frecuencia del interruptor.

2. pérdida del interruptor

Cuando el tubo del interruptor está encendido y apagado cada vez, el voltaje Vds del tubo del interruptor y el ID de corriente que fluye a través del tubo del interruptor se superponen durante un período de tiempo (posición de sombra amarilla en la imagen), lo que resulta en una pérdida p1, y luego en el Estado de funcionamiento de la frecuencia del interruptor FS = P1 * fs, es decir, cuando la frecuencia del interruptor aumenta, la pérdida total ps, Cuanto más veces se conecta y se desconecta el interruptor, mayor es la pérdida.

2. pérdida del núcleo del transformador y frecuencia del interruptor

La pérdida de hierro del transformador se debe principalmente a la pérdida de vórtice del transformador.

Cuando se aplica una corriente de alta frecuencia a la bobina, se produce un campo magnético variable perpendicular a la dirección de la corriente dentro y fuera del conductor (1 - 2 - 3 y 4 - 5 - 6 en la figura). De acuerdo con la Ley de inducción electromagnética, el campo magnético cambiante producirá fuerza eléctrica inducida en el interior del conductor. Esta fuerza electromotriz genera corrientes de vórtice (a - B - C - A y D - E - F - d) a lo largo de toda la longitud del conductor (lado L y lado n)., La corriente principal y la corriente de vórtice aumentan en la superficie del conductor, y la corriente tiende a la superficie. Luego, la sección efectiva de CA del conductor se reduce, lo que resulta en un aumento de la resistencia de CA del conductor (coeficiente de pérdida de vórtice) y un aumento de la pérdida. La pérdida de hierro del transformador es proporcional a la Potencia KF de la frecuencia del interruptor y también está relacionada con la limitación de la temperatura magnética. Por lo tanto, a medida que aumenta la frecuencia del interruptor, la corriente de alta frecuencia que fluye en la bobina producirá un grave efecto de alta frecuencia, reduciendo así la conversión del transformador. Eficiencia, lo que resulta en un aumento de la temperatura del transformador, limitando así el aumento de la frecuencia del interruptor.

3. diseño EMI y PCB y frecuencia de conmutación

Suponiendo que se resuelva la pérdida del dispositivo de potencia mencionado anteriormente, es necesario resolver una serie de problemas de ingeniería para lograr una alta frecuencia, porque a alta frecuencia, la bobina de inducción ya no es la inducción con la que estamos familiarizados, y la capacidad no es la condensadores que conocemos. Todos los parámetros parasitarios producirán los efectos parasitarios correspondientes, lo que afectará seriamente el rendimiento de la fuente de alimentación, como los condensadores parasitarios en los lados primario y secundario del transformador, la sensación de fuga del transformador, la inducción parasitaria y los condensadores parasitarios entre los cables de pcb, Esto provocará una serie de oscilaciones de formas de onda de voltaje y corriente, así como problemas emi. El estrés de voltaje del tubo del interruptor también es una prueba.

IV. Resumen

Para aumentar la densidad de potencia de los productos de alimentación de conmutación, las fábricas de PCB deben considerar primero aumentar la frecuencia de conmutación, lo que puede reducir efectivamente el volumen de transformadores, inductores de filtro y condensadores, pero se enfrentan a pérdidas causadas por la frecuencia de conmutación, lo que resulta en un aumento de la temperatura y un diseño de disipación de calor. La dificultad es que el aumento de la frecuencia también conduce a una serie de problemas de ingeniería, como la conducción y el emi.