二極管反向恢復電流輻射發(fā)射問題分析調(diào)試與解決方案

一、二極管輻射發(fā)射問題產(chǎn)生原因分析

1.1、.二極管反向恢復

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

電荷存儲的多少決定了反向恢復時間。正向電流越大，電荷存儲密度越大，反向恢復電流越大。二極管作為續(xù)流元件被廣泛應用于Buck電路與Boost電路中，作為整流元件被應用于開關電源中。

作為續(xù)流元件工作在斷續(xù)模式時，存在反向恢復電流，反向恢復時產(chǎn)生的電壓尖峰會影響二極管的電應力。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管開通時，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SW動態(tài)節(jié)點的電壓等于輸入電壓時，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。

開關MOS管開通時續(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管開通時，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SW動態(tài)節(jié)點的電壓等于輸入電壓時，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。

開關MOS管開通時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、反激開關電源次級整流二極管寄生振蕩產(chǎn)生原因分析

整流二極管導通、關斷時，具有很寬的頻譜含量，開關頻率及其諧波本身就是較強的干擾源。原邊反激MOS管導通，次級整流二極管關斷時，副邊勵磁電感被鉗制，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管關斷，副邊二極管由通轉(zhuǎn)向關斷，原邊勵磁電感被釋放，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(勵磁電感+漏感之和）產(chǎn)生的振蕩噪聲，通過變壓器耦合到次級，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，電壓尖峰的大小確定了RCD吸收電容充電電流的大小，電容充電時產(chǎn)生的電流尖峰不加以抑制，可能導致嚴重的輻射問題。

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性能切實可靠的重要措施之一。

RCD吸收電路中二極管工作在開關狀態(tài)下，其反向恢復時間通常對EMI性能有較重要的影響。單純的從反向恢復本身的影響來看，反向恢復時間越長，反向恢復電流越小，EMI的性能表現(xiàn)就越好，反之，EMI性能就會越差。

二極管反向恢復時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)面反映的實質(zhì)上還是反向恢復時間。通過在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引起的輻射問題。

二、二極管反向恢復電流輻射發(fā)射問題分析調(diào)試與解決方案

二極管作為續(xù)流元件或者整流元件時，二極管反向恢復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吸收電路來改變二極管寄生電容。

二極管反向恢復電流大小除受器件選型影響，電路工作模式對其影響也非常的關鍵，二極管工作在連續(xù)模式，或者臨界模式時，反向恢復電流的影響基本上可以忽略不計，在滿足電氣性能的基礎上，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)實際應用需要，選擇合適的二極管參數(shù)對電氣性能可靠性設計至關重要，二極管通流量越大意味者寄生電容可能越大，反向恢復時間也就可能更長，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；因為二極管制造工藝的差異，單體參數(shù)存在差異，可能導致二極管不均流情況出現(xiàn)，長時間工作引起二極管失效。

二極管選型時除考慮反向恢復時間的影響，封裝的影響也應注意，在滿足性能的基礎上優(yōu)先選擇貼片二極管，插件二極管存在較嚴重的空間磁場輻射，容易在附近的信號環(huán)路中產(chǎn)生感應噪聲電壓。

2.2、二極管增加RC吸收電路改善反向恢復電流問題

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

開關次級整流二極管增加RC電路

開關次級整流二極管并聯(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

在二極管型號選型確定后，通過在二極管兩端增加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，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波形

波形說明：

藍色是原邊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。從測試波形上看原邊MOS管D極電壓過沖、振鈴均較嚴重，而RCD吸收二極管陰極電壓過沖較小。

RCD吸收電路使用慢管二極管時波形

波形說明：

藍色是原邊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。從測試波形上看原邊MOS管D極電壓過沖、振鈴有明顯改善，而RCD吸收二極管陰極電壓過沖也降低，MOS管電流尖峰也降低。

RCD吸收電路二極管并聯(lián)47pF吸收電容時波形

波形說明：

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

RCD吸收電路增加串聯(lián)30ohm電阻時波形

通過僅修改串聯(lián)電阻參數(shù)可以改變原邊MOS管D極電壓振蕩波形的斜率，過沖幅度也會相對減小，RCD吸收二極管陰極電壓過沖幅度變化較小，電壓過沖斜率變化較明顯，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)射測試數(shù)據(jù)

某產(chǎn)品輻射發(fā)射測試195MHz頻點超出標準限值，超標頻點呈現(xiàn)包絡狀，寬帶干擾基本確定為開關電源電路產(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自Boost電路，使用示波器測量二極管動點處波形存在非常的振蕩，振蕩頻率與輻射發(fā)射超標頻率非常吻合，基本上確定噪聲來自此部分電路。

問題原因分析：

當MOS管開通瞬間，因為反向恢復電流的存在，二極管電流為負值，經(jīng)過一段時間后再為0，在二極管結電容與MOS管和PCB走線回路的寄生電感作用下會形成LC振蕩。測試二極管陽極電壓和電流，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改變二極管寄生電容、寄生電感的角度來考量，在二極管兩端增加并聯(lián)RC電路，輻射發(fā)射問題改善非常明顯，二極管增加RC吸收電路會影響到溫升。降低環(huán)路寄生電感則不會影響溫升指標，縮短環(huán)路布線長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)路面積的角度進行，還可以高頻旁路電容進行環(huán)路旁路，從而達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，無法通過增加電阻的方式實現(xiàn)；在環(huán)路中增加磁珠，利用磁珠高頻下的高阻抗特性來抑制寄生振蕩，也可以達到目的。

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力范圍內(nèi)，否則二極管會因為過壓反向擊穿，給電路設計帶來巨大隱患。故磁珠的選擇是在滿足EMC性能的基礎上，感量越小越好。

Boost續(xù)流二極管前增加串聯(lián)磁珠