二極管反向恢復(fù)電流輻射發(fā)射問(wèn)題分析調(diào)試與解決方案

一、二極管輻射發(fā)射問(wèn)題產(chǎn)生原因分析

1.1、.二極管反向恢復(fù)

二極管正向?qū)〞r(shí)，電子存儲(chǔ)在P區(qū)，空穴存儲(chǔ)在N區(qū)，此現(xiàn)象叫做電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。外加反向電壓時(shí)，電子和空穴分別往相反方向移動(dòng)，形成反向漂移電流，同時(shí)與其他多數(shù)載流子復(fù)合，待電子和空穴明顯減小后，反向恢復(fù)過(guò)程完成，二極管截至。

電荷存儲(chǔ)的多少?zèng)Q定了反向恢復(fù)時(shí)間。正向電流越大，電荷存儲(chǔ)密度越大，反向恢復(fù)電流越大。二極管作為續(xù)流元件被廣泛應(yīng)用于Buck電路與Boost電路中，作為整流元件被應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源中。

作為續(xù)流元件工作在斷續(xù)模式時(shí)，存在反向恢復(fù)電流，反向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰會(huì)影響二極管的電應(yīng)力。電路工作在斷續(xù)模式，二極管寄生電容與環(huán)路中的寄生電感產(chǎn)生的寄生振蕩也是輻射發(fā)射產(chǎn)生的重要原因之一。

1.2、Buck電路續(xù)流二極管寄生振蕩產(chǎn)生原因分析

MOS管開(kāi)通時(shí)，續(xù)流二極管寄生電容CB3被充電，寄生電感LB3、LB5積蓄能量，當(dāng)SW動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的電壓等于輸入電壓時(shí)，積累在LB3、LB5中的能量與CB3電容產(chǎn)生LC串聯(lián)諧振，從而產(chǎn)生上沖振鈴干擾。

開(kāi)關(guān)MOS管開(kāi)通時(shí)續(xù)流二極管充電電流示意圖

續(xù)流二極管寄生電容引起的上沖振鈴波形

1.3、Boost電路升壓二極管寄生振蕩產(chǎn)生原因分析

MOS管開(kāi)通時(shí)，升壓二極管寄生電容CB2被充電，寄生電感LB1、LB2、LB3、LB4積蓄能量，當(dāng)SW動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的電壓等于輸入電壓時(shí)，積累在LB2、LB3、LB4中的能量與CB2電容產(chǎn)生LC串聯(lián)諧振，從而產(chǎn)生上沖振鈴干擾。

開(kāi)關(guān)MOS管開(kāi)通時(shí)升壓二極管充電電流示意圖

升壓二極管寄生電容引起的上沖振鈴波形

1.3、反激開(kāi)關(guān)電源次級(jí)整流二極管寄生振蕩產(chǎn)生原因分析

整流二極管導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)，具有很寬的頻譜含量，開(kāi)關(guān)頻率及其諧波本身就是較強(qiáng)的干擾源。原邊反激MOS管導(dǎo)通，次級(jí)整流二極管關(guān)斷時(shí)，副邊勵(lì)磁電感被鉗制，副邊漏感LES和二極管雜散電容CJ發(fā)生振蕩，其振蕩頻率為：

反激式MOS管關(guān)斷，副邊二極管由通轉(zhuǎn)向關(guān)斷，原邊勵(lì)磁電感被釋放，CDS和原邊電感的雜散電容為并聯(lián)狀態(tài)，再和原邊電感LP(勵(lì)磁電感+漏感之和）產(chǎn)生的振蕩噪聲，通過(guò)變壓器耦合到次級(jí)，形成共模電流環(huán)路。

1.4、反激電路原邊RCD吸收電路二極管寄生振蕩產(chǎn)生原因分析

變壓器漏感產(chǎn)生的電壓尖峰與變壓器本身的漏感感量相關(guān)，電壓尖峰的大小確定了RCD吸收電容充電電流的大小，電容充電時(shí)產(chǎn)生的電流尖峰不加以抑制，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的輻射問(wèn)題。

為限制RCD吸收電容的電流尖峰，在RCD吸收電路中增加串聯(lián)電阻，可減緩電容充電速度，降低電流尖峰，是改善其EMI性能切實(shí)可靠的重要措施之一。

RCD吸收電路中二極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，其反向恢復(fù)時(shí)間通常對(duì)EMI性能有較重要的影響。單純的從反向恢復(fù)本身的影響來(lái)看，反向恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，反向恢復(fù)電流越小，EMI的性能表現(xiàn)就越好，反之，EMI性能就會(huì)越差。

二極管反向恢復(fù)時(shí)間是由其寄生電容決定，而寄生電容通常是由二極管的封裝、制造工藝決定，相同廠家的同規(guī)格型號(hào)原則上快管寄生電容小，慢管寄生電容大，寄生電容從側(cè)面反映的實(shí)質(zhì)上還是反向恢復(fù)時(shí)間。通過(guò)在RCD吸收二極管兩端并聯(lián)電容，可以調(diào)整由RCD吸收二極管反向恢復(fù)引起的輻射問(wèn)題。

二、二極管反向恢復(fù)電流輻射發(fā)射問(wèn)題分析調(diào)試與解決方案

二極管作為續(xù)流元件或者整流元件時(shí)，二極管反向恢復(fù)電流的大小受二極管寄生電容大小影響，器件選型確定后寄生電容也基本確定，要改變二極管寄生電容則需要在二極管兩端增加RC吸收電路來(lái)改變二極管寄生電容。

二極管反向恢復(fù)電流大小除受器件選型影響，電路工作模式對(duì)其影響也非常的關(guān)鍵，二極管工作在連續(xù)模式，或者臨界模式時(shí)，反向恢復(fù)電流的影響基本上可以忽略不計(jì)，在滿足電氣性能的基礎(chǔ)上，二極管最好工作在連續(xù)模式下。

2.1、二極管器件選型

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，選擇合適的二極管參數(shù)對(duì)電氣性能可靠性設(shè)計(jì)至關(guān)重要，二極管通流量越大意味者寄生電容可能越大，反向恢復(fù)時(shí)間也就可能更長(zhǎng)，工作在斷續(xù)模式下，產(chǎn)生寄生振蕩的頻率就越低。

二極管并聯(lián)使用雖然可以增大二極管的通流量，但是也增大了寄生電容；因?yàn)槎O管制造工藝的差異，單體參數(shù)存在差異，可能導(dǎo)致二極管不均流情況出現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)間工作引起二極管失效。

二極管選型時(shí)除考慮反向恢復(fù)時(shí)間的影響，封裝的影響也應(yīng)注意，在滿足性能的基礎(chǔ)上優(yōu)先選擇貼片二極管，插件二極管存在較嚴(yán)重的空間磁場(chǎng)輻射，容易在附近的信號(hào)環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)噪聲電壓。

2.2、二極管增加RC吸收電路改善反向恢復(fù)電流問(wèn)題

Buck續(xù)流二極管增加RC電路

Buck?續(xù)流二極管并聯(lián)RC吸收電路

Boost升壓二極管增加RC電路

Boost升壓二極管并聯(lián)RC吸收電路

開(kāi)關(guān)次級(jí)整流二極管增加RC電路

開(kāi)關(guān)次級(jí)整流二極管并聯(lián)RC吸收電路

RCD吸收電路二極管并聯(lián)吸收電容

RCD吸收二極管并聯(lián)RC吸收電路

在二極管型號(hào)選型確定后，通過(guò)在二極管兩端增加RC并聯(lián)吸收電路，改善二極管反向恢復(fù)引起的電壓尖峰。很多工程師喜歡在二極管兩端直接并聯(lián)電容，使用RC電路是因電容在充放電瞬間產(chǎn)生電流尖峰，通過(guò)串聯(lián)電阻可以抑制電容充放電的電流尖峰。另外，電容與寄生電感產(chǎn)生寄生振蕩時(shí)，電阻可以阻尼LC振蕩。

三、二極管寄生電容引起的寄生振蕩

3.1、RCD吸收電路二極管寄生電容引起的寄生振蕩

RCD吸收電路使用肖特基二極管時(shí)波形

波形說(shuō)明：

藍(lán)色是原邊MOS管D極電壓波形，紫色是RCD吸收二極管陰極電壓波形，綠色是原邊MOS管的電流波形。從測(cè)試波形上看原邊MOS管D極電壓過(guò)沖、振鈴均較嚴(yán)重，而RCD吸收二極管陰極電壓過(guò)沖較小。

RCD吸收電路使用慢管二極管時(shí)波形

波形說(shuō)明：

藍(lán)色是原邊MOS管D極電壓波形，紫色是RCD吸收二極管陰極電壓波形，綠色是原邊MOS管的電流波形。從測(cè)試波形上看原邊MOS管D極電壓過(guò)沖、振鈴有明顯改善，而RCD吸收二極管陰極電壓過(guò)沖也降低，MOS管電流尖峰也降低。

RCD吸收電路二極管并聯(lián)47pF吸收電容時(shí)波形

波形說(shuō)明：

通過(guò)僅在RCD吸收二極管兩側(cè)并聯(lián)47pF電容，原邊MOS管過(guò)沖幅度降低較小，而RCD吸收二極管陰極電壓過(guò)沖幅度有明顯降低，原邊MOS管電流波形無(wú)明顯變化。

RCD吸收電路增加串聯(lián)30ohm電阻時(shí)波形

通過(guò)僅修改串聯(lián)電阻參數(shù)可以改變?cè)匨OS管D極電壓振蕩波形的斜率，過(guò)沖幅度也會(huì)相對(duì)減小，RCD吸收二極管陰極電壓過(guò)沖幅度變化較小，電壓過(guò)沖斜率變化較明顯，原邊MOS管電流波形變化不明顯。

3.2、續(xù)流二極管寄生電容引起的寄生振蕩

輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)

某產(chǎn)品輻射發(fā)射測(cè)試195MHz頻點(diǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)限值，超標(biāo)頻點(diǎn)呈現(xiàn)包絡(luò)狀，寬帶干擾基本確定為開(kāi)關(guān)電源電路產(chǎn)生。

Boost二極管處振蕩波形

使用頻譜分析儀鎖定噪聲干擾來(lái)自Boost電路，使用示波器測(cè)量二極管動(dòng)點(diǎn)處波形存在非常的振蕩，振蕩頻率與輻射發(fā)射超標(biāo)頻率非常吻合，基本上確定噪聲來(lái)自此部分電路。

問(wèn)題原因分析：

當(dāng)MOS管開(kāi)通瞬間，因?yàn)榉聪蚧謴?fù)電流的存在，二極管電流為負(fù)值，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后再為0，在二極管結(jié)電容與MOS管和PCB走線回路的寄生電感作用下會(huì)形成LC振蕩。測(cè)試二極管陽(yáng)極電壓和電流，可以看到明顯的振蕩波形，如上圖所示。

改善寄生振蕩可以通過(guò)改變二極管寄生電容、寄生電感的角度來(lái)考量，在二極管兩端增加并聯(lián)RC電路，輻射發(fā)射問(wèn)題改善非常明顯，二極管增加RC吸收電路會(huì)影響到溫升。降低環(huán)路寄生電感則不會(huì)影響溫升指標(biāo)，縮短環(huán)路布線長(zhǎng)度是降低寄生電感的有效措施。

Boost續(xù)流二極管增加RC吸收電路

續(xù)流二極管增加RC吸收后輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)

寄生電感通常是由PCB布線產(chǎn)生，降低寄生電感可以從縮短PCB布線，增加PCB布線寬度，縮小環(huán)路面積的角度進(jìn)行，還可以高頻旁路電容進(jìn)行環(huán)路旁路，從而達(dá)到降低布線寄生電感的目的。

縮短PCB布線的方法

續(xù)流二極管輸出增加高頻旁路電容后輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)

Boost續(xù)流二極管電流環(huán)路與高頻旁路電容位置示意圖

在PCB布線寄生電感確定，器件寄生參數(shù)確定的情況下，除增加高頻旁路電容的方式解決寄生振蕩，還可以通過(guò)在環(huán)路中增加阻尼的方式，抑制寄生振蕩。由于是功率環(huán)路，無(wú)法通過(guò)增加電阻的方式實(shí)現(xiàn)；在環(huán)路中增加磁珠，利用磁珠高頻下的高阻抗特性來(lái)抑制寄生振蕩，也可以達(dá)到目的。

由于磁珠具有電感的特性，根據(jù)電感兩端電流不能突變的特性，電感會(huì)產(chǎn)生反向電壓尖峰，電壓尖峰必須在二極管承受的電壓應(yīng)力范圍內(nèi)，否則二極管會(huì)因?yàn)檫^(guò)壓反向擊穿，給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大隱患。故磁珠的選擇是在滿足EMC性能的基礎(chǔ)上，感量越小越好。

Boost續(xù)流二極管前增加串聯(lián)磁珠

Boost續(xù)流二極管前增加串聯(lián)磁珠后輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)

Boost續(xù)流二極管前增加串聯(lián)磁珠波形

問(wèn)題解決方案：

在二極管兩端并聯(lián)RC吸收電路，具體參數(shù)根據(jù)實(shí)際調(diào)試結(jié)果，副作用是影響二極管的溫升。

降低環(huán)路中的寄生電感，即縮短輸出端高頻電容到集成MOS管參考地之間的布線長(zhǎng)度，無(wú)任何副作用。

在二極管反向恢復(fù)環(huán)路中增加磁珠，抑制寄生振蕩，其副作用是使二極管電應(yīng)力變高，有損壞二極管的風(fēng)險(xiǎn)。

審核編輯：湯梓紅