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

二極管正向導通時(shí)，電子存儲在P區，空穴存儲在N區，此現象叫做電荷存儲效應。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)與其他多數載流子復合，待電子和空穴明顯減小后，反向恢復過(guò)程完成，二極管截至。

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

作為續流元件工作在斷續模式時(shí)，存在反向恢復電流，反向恢復時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰會(huì )影響極管的電應力。電路工作在斷續模式，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電路續流二極管寄生振蕩產(chǎn)生原因分析

MOS管開(kāi)通時(shí)，續流二極管寄生電容CB3被充電，寄生電感LB3、LB5積蓄能量，當SW動(dòng)態(tài)節點(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)續流二極管充電電流示意圖

續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SW動(dòng)態(tài)節點(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

1.4、反激開(kāi)關(guān)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(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的干擾源。原邊反激MOS管導通，次級整流二極管關(guān)斷時(shí)，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(guān)斷，副邊二極管由通轉向關(guān)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(guò)變壓器耦合到次級，形成共模電流環(huán)路。

1.5、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，可能導致嚴重的輻射問(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，其反向恢復時(shí)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(lái)看，反向恢復時(shí)間越長(cháng)，反向恢復電流越小，EMI的性能表現就越好，反之，EMI性能就會(huì )越差。

二極管反向恢復時(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(chǎng)家的同規格型號原則上快管寄生電容小，慢管寄生電容大，寄生電容從側面反映的實(shí)質(zhì)上還是反向恢復時(shí)間。通過(guò)在RCD吸收二極管兩端并聯(lián)電容，可以調整由RCD吸收二極管反向恢復引起的輻射問(wèn)題。

二極管反向恢復電流輻射發(fā)射問(wèn)題分析調試與解決方案

二極管作為續流元件或者整流元件時(shí)，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(lái)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(guān)鍵，二極管工作在連續模式，或者臨界模式時(shí)，反向恢復電流的影響基本上可以忽略不計，在滿(mǎn)足電氣性能的基礎上，二極管最好工作在連續模式下。

2.1、二極管器件選型

根據實(shí)際應用需要，選擇合適的二極管參數對電氣性能可靠性設計至關(guān)重要，二極管通流量越大意味著(zhù)寄生電容可能越大，反向恢復時(shí)間也就可能更長(cháng)，工作在斷續模式下，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，單體參數存在差異，可能導致二極管不均流情況出現，長(cháng)時(shí)間工作引起二極管失效。

二極管選型時(shí)除考慮反向恢復時(shí)間的影響，封裝的影響也應注意，在滿(mǎn)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(chǎng)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(wèn)題

Buck 續流二極管并聯(lián)RC吸收電路

Boost升壓二極管并聯(lián)RC吸收電路

開(kāi)關(guān)次級整流二極管增加RC電路

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(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。

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(guò)沖、振鈴均較嚴重，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(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)電阻參數可以改變原邊MOS管D極電壓振蕩波形的斜率，過(guò)沖幅度也會(huì )相對減小，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、續流二極管寄生電容引起的寄生振蕩

輻射發(fā)射測試數據

某產(chǎn)品輻射發(fā)射測試195MHz頻點(diǎn)超出標準限值，超標頻點(diǎn)呈現包絡(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MOS管開(kāi)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(guò)一段時(shí)間后再為0，在二極管結電容與MOS管和PCB走線(xiàn)回路的寄生電感作用下會(huì )形成LC振蕩。測試二極管陽(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)路寄生電聯(lián)RC電路，輻射發(fā)射問(wèn)題改善非常明顯，感則不會(huì )影響溫升指標，縮短環(huán)路布線(xiàn)長(cháng)度是降低寄生電感的有效措施。

Boost續流二極管增加RC吸收電路

續流二極管增加RC吸收后輻射發(fā)射測試數據

寄生電感通常是由PCB布線(xiàn)產(chǎn)生，降低寄生電感可以從縮短PCB布線(xiàn)，增加PCB布線(xiàn)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，從而達到降低布線(xiàn)寄生電感的目的。

縮短PCB布線(xiàn)的方法

續流二極管輸出增加高頻旁路電容后輻射發(fā)射測試數據

Boost續流二極管電流環(huán)路與高頻旁路電容位置示意圖

在PCB布線(xiàn)寄生電感確定，器件寄生參數確定的情況下，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；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，也可以達到目的。

由于磁珠具有電感的特性，根據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力范圍內，否則二極管會(huì )因為過(guò)壓反向擊穿，給電路設計帶來(lái)巨大隱患。故磁珠的選擇是在滿(mǎn)足EMC性能的基礎上，感量越小越好。

Boost續流二極管前增加串聯(lián)磁珠

Boost續流二極管前增加串聯(lián)磁珠后輻射發(fā)射測試數據

Boost續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，具體參數根據實(shí)際調試結果，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(xiàn)長(cháng)度，無(wú)任何副作用。

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