反激同步整流对EMI的影响

时间： 2023-10-31 来源：HI-SEMICON公众号

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同步整流基本原理

同步整流解决方案是采用MOSFET进行输出电流整流，相比于二极管相对固定的正向压降来说，MOSFET的压降与电流和导通电阻成正比（见图 1）。MOSFET对整流的传导功率损耗有很大影响。换句话说，通过选择具有理想导通电阻的SR MOSFET，SR解决方案可以实现比传统二极管解决方案更好的效率和散热性能，而这正是大功率适配器设计最关键的需求。

图1: MOSFET 和二极管之间的 I-V 特性差异

在副边带肖特基二极管的传统反激式变换器应用中，二极管的开关特性（尤其是反向恢复电流）对EMI性能有显著影响。因此在实际应用中必须谨慎处理。但用同步整流MOSFET代替二极管后，情况就完全不同了，因为MOSFET没有理论上的反向恢复效应。

然而，这并不一定意味着同步整流解决方案的EMI问题更少。相反，设计人员在设计带SR的反激解决方案时应更加谨慎，尤其是在EMI噪声源和耦合路径方面。

同步整流EMI噪声源幅度的影响

大多数控制器基于漏源电压 (VDS) 的直接检测来驱动SR MOSFET，因为它不需要与原边进行通信且降低了总BOM 成本。

图 2 显示出SR MOSFET的导通和关断通常由两个阈值来控制。它们都是负电压阈值，可以确保SR MOSFET在反向偏置时始终安全关断。

图2: 反激SR解决方案的基本原理

由上图可以看出，两端的体二极管有很短的导通时间：刚好在器件导通之前和SR MOSFET关断之后。因此，时序控制对SR控制器来说至关重要，因为这两个导通时间会引入额外的传导损耗（时间越长损耗越严重）。而且，如果关断时间过长，则可能会因为MOSFET体二极管比较差的特性而导致SR关断后出现严重的反向恢复电流。

图 3 显示了体二极管的反向恢复电流由于SR提前 400ns关断而上升到9A，然后由于漏电感又导致80V高压尖峰。众所周知，EMI问题与噪声源的脉冲幅度和斜率密切相关。这相当于反激变换器副边更强的EMI噪声源。

图3: SR 提前关断导致的高尖峰电流和电压

如果SR关断太晚，也会出现类似问题。图 4 显示了在由于传播和驱动延迟导致电流反向之后SR关断的结果。因为原边和副边MOSFET 同时导通，将导致短时间的直通。结果，负电流上升到高达10A，它会在SR MOSFET关断后导致 87V的高压尖峰。

图4: SR 关断延迟引起的高尖峰电流和电压

SR 对CM降噪效果的影响

许多反激式同步整流解决方案都建议将SR放置在副边绕组的低侧，因为SR控制器直接从输出获得偏置电源要简单得多。但传统的肖特基二极管总是放在高侧，这说明这个位置也有其益处。事实上，在共模 (CM) 噪声消除效果方面，反激式变换器中高侧和低侧SR配置之间存在很大差异（参见图 5）。

（a）: 采用低侧 SR 的 CM 噪声耦合路径

（b）: 采用高侧 SR 的 CM 噪声耦合路径

图5: 高侧 SR 和低侧 SR 之间的比较

图 5a 显示了同步整流器放置在低侧时的情况。原边共模噪声源和副边共模噪声源位于具有不同磁极的绕组末端。因此，两个噪声源的切换方向总是相反的。由于两个噪声源位于变压器的两侧，因此每个噪声源产生的 CM 噪声具有累加效应，会产生更多噪声。

图 5b 显示了当 SR 放置在高侧时，两个噪声源位于具有相同磁极的绕组末端。在这种情况下，两个噪声源的切换方向始终是相同的，两者之间存在抵消作用。

基于以上对 CM 噪声耦合的分析，高侧 SR 配置在 EMI 性能方面比低侧配置具有明显的优势。在实际应用设计中，高侧和低侧配置之间出现 3dB 或更大的差异也很常见。

结论

带SR 的反激式适配器设计与带肖特基二极管的传统配置不同。采用同步整流解决方案的两个主要目的是提高效率和散热性能。但同时也需要考虑其他方面，例如EMI性能。

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SC3D04065A	碳化硅肖特基二极管	TO-220-2L	650	14	1.5	5	10	51.5