功率开关管的Coss、变压器绕线间的匝间及层间电容、PCB布线的寄生电容影响着反激开关电源的多项性能指标。本期,为各位粉丝分享如何优化或利用寄生电容来改善峰值电流控制、转换效率及EMC性能。

 

 

 

 

寄生电容对峰值电流控制的影响

 

 

 

 

原理分析

考虑寄生电容的反激变换器简化电路如图1所示,其中Ceq1主要来自于开关管Q1,Ceq2主要来自于变压器T1。

 

 

 

图1 反激变换器简化示意图


如图2所示,Q1开通时刻由Clock信号决定,Q1关断则分为两种情况:

 

1.Gate信号置低由ic(t)触发

 

Q1开通瞬态,Ceq1和Ceq2通过Q1开始放电,其中ic(t)会在Rcs形成电压,当高于Vcs_ref时,则Gate置低;

 

2.Gate信号置低由ip(t)触发

 

Q1完全导通后,ip(t)线性增长,当Vcs(t)高于峰值电流Vcs_ref时,Gate信号置低。

 

 

 

 

 

图2 峰值电流控制示意图

 

由以上分析可知,Gate信号由ic(t)触发的情况会影响正常带载,应避免发生,改善措施如下:

 

1.控制芯片 通过增加LEB时间(100~350ns),即t0-t2时刻内屏蔽Vcs信号;2.系统设计 优化变压器,减小寄生电容Ceq2。

 

案例分享

以PN8368 9V0.6A电源为例,在265Vac输入工况下带载异常,工作波形如图3所示,寄生电容放电电流导致了误关断;通过增加变压器层间胶带减小寄生电容Ceq2,电源带载正常,工作波形如图4所示。

 

 

图3 带载异常工作波形

 

图4 正常带载工作波形

 

 

 

 

寄生电容对开关损耗的影响

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

原理分析
Q1的电压电流工作波形如图5所示,其开通损耗和关断损耗分别如下:

 

 

 

 

可见,开关损耗与寄生电容及开关频率成正比,改善措施如下:

 

1.控制芯片 通过侦测变压器工作波形,在谐振的谷底时刻开通Q1,从而减小开通损耗;2.系统设计 选择开关速度较快的功率开关管,减小寄生电容Ceq1及电压电流交叉时间;优化变压器,减小寄生电容Ceq2。

 

 

 

图5 DCM模式下Q1工作波形

 

 

案例分享

以PN8162+PN8307H 20W PD快充为例,QR和非QR状态下的工作波形如下:

 

 

 

 

图6 QR状态下的工作波形

 

图7 非QR状态下的工作波形

 

实验表明:控制芯片工作在QR状态比非QR状态可减小开通损耗约0.2W,从而显著提升充电器的功率密度。

 

 

寄生电容对EMC特性的影响

 

 

 

 

 

 

 

原理分析

反激电源共模噪声分析模型如图8所示,建模过程详见《反激式开关电源EMI设计与整改》。

 

 

 

 

 

 

 

图8 反激电源共模噪声分析模型


根据干扰电压幅值优化变压器屏蔽圈数,通过改变寄生电容进而减小共模电压。工程经验表明:共模平台干扰电压在2V以内,为传导达标的充分条件,辐射达标的必要条件。

 

案例分享

以PN8680 12V1A适配器为例,变压器初级绕组:0.21mm*102Ts;屏蔽绕组:0.21mm*12Ts;辅助绕组:0.21mm*12Ts;次级绕组:0.5mm*10Ts。共模噪声与传导初测结果如图9所示:

 

 

 

 

图9 共模噪声与传导初测结果

 

屏蔽圈数由12Ts调整至15Ts,共模噪声与传导优化测试结果如图10所示:

 

图10 共模噪声与传导优化测试结果

 

由实验结果可见,通过调整变压器寄生电容,实现共模电流抵消,可明显改善传导性能。