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一文通读MOS管的一切知识

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本文摘要:(由ai生成)

本文讨论了反激电源在多路输出中的交叉调整率难题,指出其比正激电源更难控制,原因在于反激电源的漏感非零且影响副边电流分配。文章深入分析了影响交叉调整率的多个因素,包括次级漏感、输入电压及负载变化,并提出了输出电压加权反馈、输出滤波电感耦合、变压器绕组耦合优化和钳位电路设计等四种无源改善方法,旨在增强多路输出开关电源的稳定性和负载适应性,对设计高性能反激电源具有重要参考价值。

第2143期

 
理论上反激电源比正激电源更使用于多路输出,但实际上反击电源的多路输出交叉调整率比正激电源更难做,这主要是正激后面加了个偶合电感,而反激的漏感不是零。


由于在开关管开通期间,原边电流不断的上升,在Ton结束时达到峰值Ip。这个电流在开关断开的瞬间,会被传递到副边。理解交叉调整率非常重要的一点是,传递到副边的电流是如何被副边的多路输出所分配的。文中会指出最初传递到副边电流的大多数会传递到漏感最小的那一路输出。如果这一路没有用做开关管PWM的反馈控制,那么它的峰值就会很高。相反,如果这一路用于开关管PWM的反馈控制,那么其他路的输出就会受到降低。


另外一个于交叉调整率相关的非常重要的特征就是非反馈绕组输出的匝数。具体来讲,为了保正输出电压在规定的误差范围内,需要增加或减少他们的匝数或者是调节反馈反馈绕组的输出。为了使所有的输出在一定的误差范围内,这必然会增加调试的时间。在许多情况下,往往需要增加额外的线性或开关稳压电路来解决由于交叉调整率带来多路输出电压不能达到规定误差范围内的问题。


很多人做反激电源时都遇到这个问题,一路输出稳定性非常好,但多路输出时没有直接取反馈的路的电压会随其他路的负载变化而剧烈变化,这是什么原因呢?


原来,在MOS关断,次级输出时能量的分配是有规律的,它是按漏感的大小来分配,具体是按匝比的平方来分配(这个可以证明,把其他路等效到一路就可得出结果)如:5V 3匝,漏感1uH,12V 7匝,如果漏感为(7/3)2*1=5.4uH,则两路输出的电流变化率是一样的,没有交叉调整率的问题,但如果漏感不匹配时,就会有很多方面影响到输出调整率:


1、次级漏感,这是明显的;

2、输入电压,如果设计不是很连续,则在高压时进入DCM状态,DCM时由于电流没有后面的平台,漏感影响更显著。


   

改进方法:      

   
01      

变压器工艺

     

让功率比较大,电压比较低的绕组最靠近初级,其漏感最小,电压比较高,功率比较小的远离初级,这样就增加了其漏感。

02      

电路方法

     

电压输出较高的绕组在整流管前面加一个小的磁珠或一个小的电感,人为增加其漏感,这样电流的变化率就接近于主输出,电压就稳定。

03      

电压相近的输出

     

如:3.3V、5V,按我们的解释其漏感应该差别很小,这时就要把这两个绕组绕在同一层里面,甚至有时候5V要借用3.3的绕组,也就是所谓的堆叠绕法,来保证其漏感比。

04      

电压不平衡

     

另外有时候电压不平衡是由于算出的匝数不为整数造成的,如半匝,当然半匝是有办法绕的,但半匝的绕法也是很危险的(可参考其他资料),这时我们可以通过二极管的压降来调整,如12V用7匝,5V用3匝,如果发现12V偏高,则12V借用5V的3匝,但剩下的4匝的起点从5V输出的整流管后面连接,则12V的整流管的压降为两组输出整流管的压降和,如:0.5(5V)+0.7(12V)=1.2V,另外12V输出负载变化时,其电流必然引起5V整流管的压降变化,也就是5V输出变化,而5V的变化会通过反馈调整,这样也间接控制了12V。


多路输出反激变换器往往只对主输出采用闭环反馈稳压,而辅输出则开环不反馈。当变压器为理想以及二极管压降可忽略时,在连续导通CCM模式下,多路输出反激变换器的主、辅输出的电压都比较稳定。但由于变压器的非理想性(存在漏感以及线圈电阻)以及二极管压降不可忽略,当主、辅输出负载发生变化时,辅输出由于开环,其输出电压会发生较大变化,交叉调整率比较差。


对于多路输出的情况,通常只有输出电压低、输出电流变化范围大的一路作为主电路进行反馈调节控制,以保证在输入电压及负载变化时保持输出电压稳定。


理想情况下,辅助输出电压与主输出电压满足变压器匝数比的关系,即只要使主输出电压保持稳定,则辅助输出电压也能保持稳定。


但实际上由于受变压器各个绕组间的漏感、绕组的电阻、电流回路寄生参数等的影响,辅助输出电压随输出负载的变化而变化。


通常当主输出满载,辅助输出轻载时,辅助输出电压将升高;而当主输出轻载,辅助输出满载时,辅助输出电压将降低。这就是多路输出的负载交叉调整率问题。


目前,改进多路输出开关电源的交叉调整率的方法可分为无源和有源两类。有源的方法(加后级调节控制) 虽然具有高稳压精度,但电源的可靠性、效率和复杂性不如无源的方法好。


介绍四种改善多路输出开关电源交叉调整率的

无源设计方法:


01    

 输出电压加权反馈控制      

利用加权的原理,把主输出电压和辅助输出电压按一定的权重比例进行取样反馈,从而使辅助输出电压也能像主输出电压一样,能够对占空比起到一定的调节作用,使辅助输出电压的变化得到一定程度的改善,从而提高输出电压的交叉调整率。

02    

各路输出滤波电感的耦合      

通过电感耦合,使多路输出电流变化量相互感应,改善电感电流脉动,从而保持多路输出电压间的比例关系,改善负载交叉调整率。

03    

变压器各绕组耦合优化      

对多路输出的电源,其输出阻抗直接决定了输出电压的变化,输出阻抗与各输出绕组间的漏感成正比,而初、次级绕组的耦合程度对输出阻抗也有很大影响,所以设计多路输出高频变压器要使各输出绕组间紧密耦合,且输出电流变化范围大的绕组(主输出绕组) 与初级绕组要耦合的最好,这些都有利于提高交叉调整率。

03    

钳位电路的设计      

漏感会导致变压器电压的尖峰,对于反激变换器,该尖峰会直接引起辅助输出轻载时输出电压的攀升。如果能保持嵌位电压的大小略高于次级反射电压,则多路输出反激式开关电源的交叉调整率能得到极大的改

来源:电磁兼容之家
寄生参数电源电路电磁兼容理论控制
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首次发布时间:2024-04-21
最近编辑:8月前
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人工电源网络在EMC测试中的应用

第2118期1 前言  随着现代科技的发展,电气及电子设备的数量及种类不断增加,电子设备小型化、密集化程度以及工作频率的不断提高,电子设备的应用也随之越来越广泛,而电子设备的大量使用,导致了更加复杂恶劣的电磁环境,诸如电源谐波、电压波动、脉冲噪声、电磁场辐射、静电干扰等。当电磁干扰发生时,轻则导致受干扰的敏感电子设备功能发生降级,重则导致其功能失效,这些都有可能造成严重后果。所以,为了使电子设备能和谐共处,正常的工作,国际、国内相关行业都规定了电子设备正常的发射量级和可以承受干扰的量级。经过研究和分析,不同的测试场地的背景噪声并不一致。测试场地的交流电源系统的阻抗有很大的变化,电网阻抗的变化直接影响从电源线传导出的噪声电流的大小,从而使测试结果不一致。所以,在进行传导干扰电压测试中,电网的阻抗值是非常重要的,为了保证传导发射测试时的一致性,就出现了人工电源网络这一辅助设备。人工电源网络可以在给定频率范围内,为骚扰电压的测量提供标准规定的50欧姆阻抗,并使受试设备(EUT)与电网上的高频干扰相互隔离,将干扰电压耦合到接收机上,由此测量受试设备(EUT)沿电源线向电网发射的骚扰电压。  2 人工电源网络的分类  人工电源网络有两种基本类型:用于耦合非对称电压的V型人工电源网络(V-AMN)及用于耦合对称电压和不对称电压的Δ型人工电源网络(Δ-AMN)。V型人工电源网络用于测量非屏蔽对称信号线上的共模电压。  根据不用的应用频率范围,人工电源网络内部电路结构也不一样,GB/T 6113.102-2018中给出了3种频率的电路结构。  1)图一为50Ω/50μH+5Ω V型人工电源网络,它的工作频段为:9kHz~150kHz,如果能满足50Ω/50μH类型的阻抗,这种类型的人工电源网络也可应用于150kHz~30MHz频段测量。阻抗计算公式为:z=(jw×50uH+5) //50。其应用的主要标准有:  l GJBl51B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》;  l GB4343.1- 2009《家用电器、电动工具和类似器具的电磁兼容要求第一部分:发射》;  l GB 9254-2008《信息技术设 备的无线电骚扰限值和测量方法》。图一  2)图二为50Ω/50μH V型人工电源网络,它的工作频段为:150kHz~30MHz。阻抗计算公式为:z=(jw×50uH) //50。其应用的主要标准有:  l GB 4343.1-2009《家用电器、电动工具和类似器具的电磁兼容要求第一部分:发射》;  l GB 4824-2019《工业、科学和医疗设备 射频骚扰特性限值和测量方法》;  l GB 9254-2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》;GB/T 18387-2017《电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法》。图二  3)图三为50Ω/5μH+1Ω V型人工电源网络,它的工作频段为:150kHz~108MHz。阻抗计算公式为:z=(jw×50uH+1) //50,其中应用的主要标准有:  l GJBl51B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》;  l GB/T 18655-2018《车辆、船和内燃机无线电骚扰特性用于保护车载接收机的限值和测量方法》。图三  根据阻抗计算公式绘制出了三种电路的阻抗曲线图,如图四所示,图中曲线1、曲线2、曲线3分别对应50Ω/50μH+5Ω、50Ω/50μH、50Ω/5μH+1Ω三种类型的人工电源网络阻抗,从图中可以看出:每种结构的人工电源网络在各自的工作频段内的阻抗都趋近于50Ω,曲线1和曲线2的阻抗值基本吻合,曲线3的阻抗趋于50Ω的频点后移。所以,50Ω/5μH+1Ω类型的人工电源网络可以用于频率较高的频率段的传导测试。图四  3 人工电源网络的工作原理和作用  传导干扰电压测量简化后的等效电路,如图五所示。从简化电路图中我们可以看出,从电网端口测出来的传导干扰电压U2不仅与传导干扰源(U1,Z1)有关,还跟电网的本身的阻抗(Z2)有关。而我们发现,电网的阻抗(Z2)不是常数,其受测量时间、测量地点和测量频率等各种因素的影响,电网的线路阻抗是不稳定的。因此,为了使测量结果具有重复性与可比性,国际无线电干扰特别委员会设计了多种类型的人工电源网络,规定了用于不同类型传导干扰电压测量的标准线路阻抗。图五  串入人工电源网络的传导干扰电压测量电路,如图六所示。从电路图中可以看出,电网中串入了人工电源网络的阻抗(Z2),该阻抗要远大于电网的本身阻抗(Z1)。因此,测量电网中的总等效阻抗受到电网本身阻抗(Z1)的影响大大减小了;同时,对于EMI源而言,人工电源网络为其提供了一个纯阻抗负载R,进一步稳定了电网线路中的阻抗。人工电源网络中的阻抗(Z2)和阻抗(Z3)同时还组成了一个高频抑制电路,可在抑制了来自电网的高频噪声信号,进一步减小了测量误差。图六  以50Ω/50μH+5Ω V型人工电源网络为例,该人工电源网络实际电路图如图七所示。图七  从图七可见,人工电源网络有以下几个主要作用:  1)受试设备通过人工电源网络供电,人工电源网络为其提供了标准的线路阻抗。同时有效抑制了来自电网的高频噪声信号,减小了来自电网的其它设备引起的线路阻抗变化;  2)如果没有人工电源网络中的50μH电感和8μF电容,电网中的任何骚扰信号都会通过人工电源网络耦合到测量接收机中,从而会被认为是受试设备产生的。因此,人工电源网络中的50μH电感和8μF电容是用来隔离和旁路来自电网的外部噪声,同时也可以有效的隔离受试设备产生的骚扰信号进入公共电网中干扰其他的用电设备;  3)人工电源网络中的0.25μF隔直电容,可防止测量接收机输入端过载;1kΩ电阻为0.25μF电容提供静电放电通路,同时,通过1kΩ电阻作为人工电源网络的测量信号输出端口,与测量接收机信号输入端相连,将受试设备产生的信干扰号耦合到测量接收机中,用于传导干扰测量。  4 人工电源网络的使用及注意事项  在用人工电源网络进行传导发射测试时,为了保证安全和测试结果的真实性,有以下几点注意事项:  1)需要对人工电源网络进行定期计量,保证能在工作频率范围内提供规定的阻抗,在计量要求范围内方可继续使用。  2)在使用过程中,人工电源网络的分压系数会变化,为保证测试的准确度,需将定期计量后的分压系数录入测试软件中加以修正。  3)在利用人工电源网络进行传导发射测试时,需要在测量接收机输入端加衰减器(如20dB)或脉冲限幅器用来保护接收机。因为某些产品(特别是产品开发初样阶段)在开关或瞬时断电时会引起瞬态尖峰,其幅度远远超过测量接收机的测量范围,很容易损坏测量接收机。  4)人工电源网络需要良好接地,最好与接地平板搭接。当使用高压电源时,断电后要注意等人工电源网络放电结束后,再去碰触人工电源网络,以保证人身安全。  5)人工电源网络内部有大电容,有较大漏电流产生,其配套试验环境中的空气开关建议使用不带漏电保护的空气开关。  6)为了确定传导发射数据的可信性,试验前应检查测试环境的背景噪声。其方法是从人工电源网络上撤去产品的电源线,保留人工电源网络的电源进线和该人工电源网络与测量接收机之间的射频连接电缆,在测量接收机测出的干扰值相当于背景噪声。当背景噪声小于限值6 dB以上,试验才是有效的。【文章整理】电磁兼容之家【声明】文章信息来源于互联网,目的在于传递更多信息,不代表本订阅号赞同其观点和对其真实性负责。如转载内容涉及版权等问题,请立即与我们联系,我们将迅速采取适当措施。来源:电磁兼容之家

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