Conception électronique - Conception de PCB et analyse de fréquence de commutation EMI

Description détaillée de la conception du PCB et de la fréquence de commutation EMI: jusqu'à présent, les ingénieurs se sont concentrés sur la façon de rendre les modules plus petits et plus légers. En effet, tout le monde sait qu'il est possible d'augmenter la densité de puissance d'un produit en augmentant la fréquence de commutation. Mais pourquoi le volume des modules n’a - t - il pas beaucoup changé jusqu’à présent? Qu'est - ce qui limite l'augmentation de la fréquence de commutation?

Les produits d'alimentation à découpage sont entraînés par les applications du marché, qui nécessitent de plus en plus de caractéristiques de petite taille, de légèreté, d'efficacité, de faible rayonnement et de faible coût pour répondre aux besoins de divers équipements terminaux électroniques. Pour répondre à la portabilité des terminaux électroniques actuels, les alimentations à découpage doivent être de plus en plus petites. En raison de son poids léger, l'augmentation de la fréquence de fonctionnement de l'alimentation à découpage est devenue une préoccupation croissante pour les concepteurs. Cependant, quels sont les facteurs qui limitent l'augmentation de la fréquence d'alimentation à découpage? En fait, il comprend principalement trois aspects, le tube de commutation, le transformateur, l'EMI et la conception de PCB.

1. Tube de commutation et fréquence de commutation

Le tube de commutation est le dispositif central du module d'alimentation à découpage, dont la vitesse de commutation et les pertes de commutation affectent directement les limites de la fréquence de commutation. Voici une analyse générale pour chacun.

1. Vitesse de commutation

Les pertes d'un tube MOS sont constituées de pertes de commutation et de pertes d'entraînement, comme représenté sur la figure 1: temps de retard de conduction TD (on), temps de montée tr, temps de retard de fermeture TD off, temps de descente TF.

Pour un tel tube mos, sa fréquence de commutation limite est: FS = 1 / (TD (on) + tr + TD (off) + TF) Hz = 1 / (8NS + 91ns + 38ns + 32ns) = 5,9 MHz. Dans la conception, la conduction et la coupure du tube de commutation ne peuvent pas être réalisées instantanément, du fait de la commande du rapport cyclique de l'interrupteur pour réaliser la régulation de tension, c'est - à - dire que la fréquence de commutation limite réelle de l'interrupteur est bien inférieure à 5,9 MHz, La vitesse de commutation du tube de commutation lui - même limite donc l'augmentation de la fréquence de commutation.

2. Perte de commutation

La tension VDS du tube interrupteur et le courant ID qui le traverse se superposent pendant un certain temps (position hachurée jaune sur la figure) à chaque ouverture et fermeture du tube interrupteur, provoquant des pertes P1, puis des pertes totales PS en régime de fonctionnement avec une fréquence de commutation FS = p1 * FS, c'est - à - dire lorsque la fréquence de commutation augmente, Plus l'interrupteur est allumé et ouvert, plus les pertes sont importantes.

2. Perte de noyau de transformateur et fréquence de commutation

La perte de fer du transformateur est principalement causée par les pertes de Vortex du transformateur.

Lorsqu'un courant haute fréquence est appliqué à la bobine, un champ magnétique variable perpendiculaire à la direction du courant est généré à l'intérieur et à l'extérieur du conducteur (1 - 2 - 3 et 4 - 5 - 6 sur la figure). Selon la loi de l'induction électromagnétique, un champ magnétique changeant crée une Force électromotrice induite à l'intérieur du conducteur. Cette Force électromotrice engendre des courants de Foucault (A - B - C - A et D - E - F - d) sur toute la longueur du conducteur (faces l et n), Le courant principal et le courant de Foucault sont renforcés à la surface du conducteur et le courant tend vers la surface. La section alternative effective du fil diminue alors, ce qui entraîne une augmentation de la résistance alternative du conducteur (coefficient de perte par courants de Foucault) et une augmentation des pertes. La perte de fer du transformateur est directement proportionnelle à la puissance KF de la fréquence de commutation et est également liée à la limitation de la température magnétique. Ainsi, à mesure que la fréquence de commutation augmente, le courant à haute fréquence circulant dans la bobine produit un effet grave à haute fréquence qui diminue la conversion du transformateur. Efficacité, entraînant une augmentation de la température du transformateur et limitant ainsi l'augmentation de la fréquence de commutation.

3. EMI et conception de PCB et fréquence de commutation

En supposant que les pertes de dispositif de puissance ci - dessus soient résolues, il faudrait résoudre une série de problèmes d'ingénierie pour atteindre les hautes fréquences, car à haute fréquence, l'inductance n'est plus celle que nous connaissons et la capacité n'est plus celle que nous connaissons. Tous les paramètres parasites créent des effets parasites correspondants qui affectent gravement les performances de l'alimentation, tels que la capacité parasite du côté primaire et secondaire du transformateur, l'inductance de fuite du transformateur, l'inductance parasite et la capacité parasite entre le câblage PCB, Cela entraînera une série d'oscillations de forme d'onde de tension et de courant ainsi que des problèmes EMI. La contrainte de tension du tube de commutation est également un test.

Iv. Résumé

Pour augmenter la densité de puissance des produits d'alimentation à découpage, les usines de PCB doivent d'abord envisager d'augmenter la fréquence de commutation, ce qui peut réduire efficacement le volume des transformateurs, des inductances de filtrage et des condensateurs, mais elles sont confrontées à des pertes causées par la fréquence de commutation, ce qui entraîne une augmentation de la température et une conception de dissipation thermique. La difficulté est que l'augmentation de la fréquence entraîne également une série de problèmes d'ingénierie tels que la conduite et l'EMI.