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只需一招,同步开关稳压器电磁干扰问题“药到病除”

2019-10-11
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同步开关稳压器由于效率高,在负载点(POL)电源领域广泛应用。但是相对于异步开关稳压器,同步开关稳压器可能会产生额外的电磁干扰。本文通过比较这两种开关稳压器,阐明同步开关稳压器额外的电磁干扰产生的来源,以及如何使用肖特基二极管来减少此类电磁干扰。最后给出产品选型方面的小技巧。


同步开关

稳压器

V

S

异步开关

稳压器


开关稳压器的工作原理是:通过重复切换开关(如下图的S1、S2)的“通”和“断”状态,把DC输入电压转化成PWM波形,然后使用电感、电容等能量存贮部件使其平滑,以转换成所希望的DC输出电压。
 
而同步开关稳压器与异步开关稳压器之间的主要区别在于:同步开关稳压器使用晶体管S2来代替二极管D1。(如下图电路所示)



 同步开关稳压器

 异步开关稳压器

降压电路


图1a. 同步开关稳压器


图1b. 异步开关稳压器

工作方式

S1、 S2 通常为晶体管

S1 “通” S2 “断”时,橙线为电流路径

S1 “断” S2 “通”时,绿线为电流路径

S1通常为晶体管, D1通常为二极管

S1“通” D1“断”时,橙线为电流路径

S1“断” D1“通”时,绿线为电流路径

优点

效率高

电路简单

缺点

电路复杂

效率低

图1. 同步开关稳压器与异步开关稳压器比较 


通常来说, 晶体管开关承载电流时的压降要比二极管更低。因此同步开关稳压器的能量损耗更小,效率更高。但是与异步开关稳压器相比,同步开关稳压器容易产生额外的电磁干扰。那么额外的电磁干扰是怎么产生的呢?


电磁干扰的来源与对策


同步开关稳压器有一个天生的缺陷,就是当S1与S2同时导通时,会产生短路危险,这会损坏开关。所以必须确保两个开关永远不会同时导通。为了个避免这种情况发生,会采取一些措施,而这些措施可能会带来额外的电磁干扰。我们来梳理一下这个过程是如何发生的。

图2. 同步开关稳压器电磁干扰产生的原因和解决方案(点击图片放大,查看详情)


我们可以使用一个额外的肖特基二极管来减少此类电磁干扰。肖特基二极管的反向恢复时间非常短,甚至反向恢复时间为0。并且在死区时间开始时,能非常快速地吸收电流。这可减缓开关节点处的电压陡降,从而减少由于耦合效应而产生并分布到电路上的电磁干扰。
 
下图是一个典型的降压同步开关稳压电路,其使用ADI ADP2443为同步开关稳压芯片。采用N沟道MOSFET和额外的肖特基二极管,可最大限度地减少干扰。

图3. 肖特基二极管在同步开关稳压器中的应用


电路中关键元器件选型


  • 同步/异步开关稳压器选型 

异步开关稳压器是简单且牢固的方式,而同步开关稳压器效率更高。如何在选型时区分这两类稳压器呢?
 
Digi-Key官网上,开关稳压器选型列表中,提供了许多可供选择的参数。在“同步整流器”栏中选择“是”,对应的就是同步开关稳压器。


图4. Digi-Key网站中同步/异步开关稳压器选型



  • 肖特基二极管选型


肖特基二极管可以设计得非常紧凑,因为它仅在死区时间内,短时间承载电流。
 
它的特点是:仅在死区时间承载电流,温升小、尺寸小、成本低、结构紧凑。
 
Digi-Key官网上,肖特基二极管选型列表中,提供“反向恢复时间”栏。为了减少额外的电磁干扰,反向恢复时间越小越好。


图5. Digi-Key网站中肖特基二极管选择选型


 本文小结 


同步开关稳压器效率高,在各个领域有着广泛的应用,但是与此同时它可能会伴有额外电磁干扰的产生。只有了解其中的原理,对症下药,才能花费最小的成本,药到病除。

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