電子設計 - PCB設計とEMIスイッチング周波数解析

詳細説明 PCB設計 EMIスイッチング周波数：今まで, エンジニアは、モジュールをより小さくて軽くする方法に集中しました. 事実上, スイッチング周波数を高くすることにより、製品の電力密度を向上させることができる. しかし、なぜモジュールのボリュームがそれほど大きくなっていないのか? スイッチング周波数の増加を制限するもの?

スイッチング電源装置は、市場用途によって駆動され、様々な電子端末装置を満たすために、小型、軽量、高効率、低放射、および低コスト特性をますます必要とする。現在の電子端末装置の可搬性を満たすためには、スイッチング電源は小さくて小さくなければならない。軽量化のため、スイッチング電源の動作周波数を向上させることが設計者の関心を高める問題となっている。しかし、スイッチング電源周波数の増加を制限する要因は何か？実際には、主に3つの側面、スイッチチューブ、変圧器、EMIとPCBの設計が含まれます。

スイッチ管及びスイッチング周波数

スイッチング管はスイッチング電源モジュールのコアデバイスであり，スイッチング速度とスイッチング損失はスイッチング周波数の限界に直接影響する。以下は一般的な分析です。

1 .スイッチング速度

MOS管の損失は、図1に示すように、スイッチング損失及び駆動損失から構成される。

このMOS管では、その制限スイッチング周波数は、fs＝1／（Td（on）＋Tr＋Td（off）＋Tf）Hz＝1／（8 ns＋91 ns＋38 ns＋32 ns）＝5.9 MHzであり、実際には、スイッチのデューティサイクルが電圧調整を達成するように制御されているので、スイッチ管のターンオン及びカットオフを瞬時に完了することができず、すなわち、スイッチの実際の制限スイッチング周波数は5.9 MHzよりもはるかに小さい。従って、スイッチチューブ自体のスイッチング速度はスイッチング周波数の増加を制限する。

スイッチング損失

スイッチング管が毎回オン・オフすると、スイッチング管のVds電圧とスイッチング管に流れる電流IDが時間（図の黄色の斜線）に重なって損失P 1となり、スイッチング周波数fs＝P 1＊fsの動作状態、すなわちスイッチング周波数が上昇したときの全損失Psが増加する。スイッチがオンとオフになると、より大きな損失が大きくなります。

トランスコア損失とスイッチング周波数

変圧器の鉄損は主に変圧器の渦電流損に起因する。

コイルに高周波電流を印加すると、電流方向（図中の1−2−3、4−5−6）に垂直な導体の内外に変化磁界が発生する。電磁誘導の法則によれば、変化する磁場は導体内部に誘導起電力を発生する。この起電力は、導体（L面とN面）の長さにわたって渦電流（A−B−C−AおよびD−E−F−D）を発生する。主電流と渦電流は導体表面に強くなり，電流は表面に向かう。すると、ワイヤの実効的なAC断面積が減少し、導体の交流抵抗（渦電流損失係数）の増加と損失の増大をもたらす。変圧器の鉄損はスイッチング周波数のkf電力に比例し，磁気温度の制限にも関係している。このため、スイッチング周波数が高くなると、コイルに流れる高周波電流が大きな高周波効果を生じ、トランスの変換が低下する。効率、変圧器の温度の増加につながる。そして、それによって、開閉周波数の増加を制限する。

EMIとPCB設計とスイッチング周波数

Assuming that the above-mentioned power device losses are solved, 高周波を達成するために一連の工学的問題を解決する必要がある, 高周波で, インダクタンスはもはやインダクタンスである, そしてキャパシタンスは我々が知っているキャパシタンスではない. 寄生効果に対応するすべての寄生パラメータが生成される, これは、電源の性能に深刻に影響を及ぼすであろう, such as parasitic capacitance on the primary and secondary sides of the 変圧器, 変圧器漏れインダクタンス, 寄生インダクタンスと寄生容量 PCB配線, これは、電圧と電流波形の振動の一連の原因とEMIの問題. The voltage stress of the スイッチチューブ is also a test.

四つの要約

スイッチング電源製品の電力密度を高める, PCB工場 まずスイッチング周波数を増加させなければならない, 変圧器の体積を効果的に減らすことができる, フィルターインダクタ, とコンデンサ, しかし、それらはスイッチング周波数に起因する損失に直面している, 温度上昇と放熱設計につながる. 海千山千, 周波数の増加はまた、ドライブやEMIのような一連の工学的問題を引き起こす.