CN111740586A - 一种提高emc性能的rc吸收电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高EMC性能的RC吸收电路，RC吸收电路包括电源Vi和场效应管Q1，所述电源Vi的正极和所述场效应管Q1的漏极电性连接，所述场效应管Q1的源极依次通过电感Lp1、电感Lp3、二极管D1、电感LP4和电感Lp5后与所述电源Vi的负极电性连接，所述二极管D1的两端并接有电容CD；所述电感Lp1和所述电感Lp3的共接端依次通过电容Csnub和电阻R后与所述电感Lp4和所述电感Lp5的共接端电性连接。本发明公开的一种提高EMC性能的RC吸收电路，在能量开关切换的点上或在振铃回路中放置RC吸收电路，RC吸收电路不仅能改变振铃频率，同时其电容效应会降低开关节点的dV/dt，从而有效抑制EMI。

Description

一种提高EMC性能的RC吸收电路
技术领域
本发明属于汽车电子技术领域，具体涉及一种提高EMC(Electro MagneticCompatibility，电磁兼容性)性能的RC吸收电路。
背景技术
在汽车的开关电源及D类功放中，由于寄生参数的存在，开关电源电路在开关动作瞬间会产生开关振铃。现有buck电路开关节点(两个开关与电感交汇点)的典型波形，可见在上管开通瞬间都有不同程度的振铃。振铃的存在，可能使得开关管承受的电压超过其耐压值而发生击穿；另一方面，开关振铃为远超开关频率的高频振铃，并伴随很高的dV/dt，会带来传导和辐射的EMI(电磁干扰，Electromagnetic Interference)问题，可能会使得终端产品不能通过EMI标准测试，更严重时甚至会干扰开关电源自身的信号电路或临近的其他功能电路的正常工作。所以尽可能地抑制开关振铃是开关电源设计中一个很重要的环节。
汽车电子系统中一般为了解决这个问题,常见的措施，包括布线的优化减小线路寄生参数；选用二极管反向特性好的器件；降低开关速度；前后级采用LC方式的滤波电路，虽然也起到了抑制低频EMI的效果，但在RE，CE的高频部效果并不是很理想，这是因为使用LC电路所占PCB面积，电流环路也随之加大，由于任何传输线都不可避免地存在着引线电阻、引线电感和杂散电容导致的。
公开号为：CN104200078A，主题名称为一种抑制EMI干扰的方法的发明专利，其技术方案公开了“设置硬件部分：在系统主板上，滤波电容使用穿心电容器或支座电容器；电阻采用电阻器；滤波器采用若干小电感组成；电源变压器在设置静电屏蔽，屏蔽壳体和变压器壳体都接地；电源模块的开关管两端则设置吸收电路，该吸收电路吸收电源模块的EMI；设置软件部分：首先将总噪声、共模噪声和差模噪声数据读入计算机中，接着对EMI噪声数据进行去噪和频谱分析、复现，然后将其与EMC标准进行对照以判断是否符合若符合标准要求软件输出电磁兼容测试报告，反之重新进行EMI滤波器设计；设计线路板部分：拉大高速信号和模拟信号之间的距离，或加ound guard/shunt traces在模拟信号旁边；并采用数字地对模拟地的噪声干扰；设置屏蔽结构：设置屏蔽罩，该屏蔽罩内置垫片；设置电源线滤波：在电缆的端口上安装滤波器，即信号滤波器；设置电路的接地的方式：设置不同信号的接地线，这里的地线包括：数字地：各种开关量信号的零电位；模拟地：各种模拟量信号的零电位；信号地：为传感器的地；交流地：交流供电电源的地线；直流地：直流供电时电源的地；屏蔽地：防止静电感应和磁场感应”。
以上述发明专利为例，其虽然提及了抑制EMI。但是其技术方案与本发明的不同。因此，针对上述问题，予以进一步改进。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种提高EMC性能的RC吸收电路，在以上其他措施因客观因素的限制而不能达到最佳效果时，在能量开关切换的点上或在振铃回路中放置RC吸收电路，RC吸收电路不仅能改变振铃频率，同时其电容效应会降低开关节点的dV/dt，从而有效抑制EMI。
本发明的另一目的在于提供一种提高EMC性能的RC吸收电路，其主要用来抑制上管(场效应管)开通瞬间的振铃，而该振铃正是绝大多数过压问题和EMI问题的根本。
本发明的另一目的在于提供一种提高EMC性能的RC吸收电路，其在汽车信息娱乐系统主开关电源的快速开关接点处放置RC吸收电路，以提升EMC性能，从而帮助整车电子零部件通过EMC认证的。
本发明的另一目的在于提供一种提高EMC性能的RC吸收电路，其具有电路结构简单、体积较小、节约PCB板面积、实现成本低等优点。
为达到以上目的，本发明提供一种提高EMC性能的RC吸收电路，用于改变汽车开车电源电路在开关动作瞬间产生的开关振铃频率并且抑制EMI，包括：
RC吸收电路包括电源Vi和场效应管Q1，所述电源Vi的正极和所述场效应管Q1的漏极电性连接，所述场效应管Q1的源极依次通过电感Lp1、电感Lp3、二极管D1、电感LP4和电感Lp5后与所述电源Vi的负极电性连接，所述二极管D1的两端并接有电容CD；
所述电感Lp1和所述电感Lp3的共接端依次通过电容Csnub和电阻R后与所述电感Lp4和所述电感Lp5的共接端电性连接；
所述电感Lp1和所述电感Lp3的共接端还依次通过电感Lp2、电感L、电容C2和电感Lp6后与所述电感Lp4和所述电感Lp5的共接端电性连接。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，RC吸收电路在开关动作瞬间等同于第一振铃回路，所述第一振铃回路包括电源Vi、电感LR、电容CR、电容Csnub和电阻R，其中：
电源Vi的正极依次通过电感LR和电容CR与电源Vi的负极电性连接，电容CR的两端并接有电容Csnub和电阻R并且电容Csnub和电阻R串联。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，由于所述第一振铃回路中的电容Csnub和电阻R的数值差距，所述第一振铃回路等同于第二振铃回路，所述第二振铃回路包括电源Vi、电感LR、电容CR和电阻R，其中：
电源Vi的正极依次通过电感LR和电容CR与电源Vi的负极电性连接，电容CR的两端并接有电阻R。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第二振铃回路中电源Vi的计算公式为：
Figure BDA0002526378140000041
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，根据电源Vi的计算公式得出电阻R的值为：
Figure BDA0002526378140000042
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，电阻R的损耗计算公式为：
Figure BDA0002526378140000043
其中，
Figure BDA0002526378140000044
为振铃峰值，fSW为开关频率；
场效应管Q1的损耗计算公式为：
PSW＝(t1+t2)×VSW×ISW×fSW。
附图说明
图1是本发明的RC吸收电路图。
图2是本发明的第一振铃回路图和第二振铃回路图。
图3是本发明的不同电阻值下对振铃的抑制效果对比图。
图4是本发明的相同电阻值下电容值变大对振铃的影响图。
图5是本发明的场效应管Q1开通瞬间关键节点波形图。
图6是本发明的原始的振铃波形图。
图7是本发明的采用RC吸收电路后的振铃波形图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
参见附图的图1，图1是本发明的RC吸收电路图，图2是本发明的第一振铃回路图和第二振铃回路图，图3是本发明的不同电阻值下对振铃的抑制效果对比图，图4是本发明的相同电阻值下电容值变大对振铃的影响图，图5是本发明的场效应管Q1开通瞬间关键节点波形图，图6是本发明的原始的振铃波形图，图7是本发明的采用RC吸收电路后的振铃波形图。
在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的电源、电感等可被视为现有技术。
优选实施例。
本发明公开了一种提高EMC性能的RC吸收电路，用于改变汽车开车电源电路在开关动作瞬间产生的开关振铃频率并且抑制EMI，包括：
RC吸收电路包括电源Vi和场效应管Q1，所述电源Vi的正极和所述场效应管Q1的漏极电性连接，所述场效应管Q1的源极依次通过电感Lp1、电感Lp3、二极管D1、电感LP4和电感Lp5后与所述电源Vi的负极电性连接，所述二极管D1的两端并接有电容CD；
所述电感Lp1和所述电感Lp3的共接端依次通过电容Csnub和电阻R后与所述电感Lp4和所述电感Lp5的共接端电性连接；
所述电感Lp1和所述电感Lp3的共接端还依次通过电感Lp2、电感L、电容C2和电感Lp6后与所述电感Lp4和所述电感Lp5的共接端电性连接。
具体的是，RC吸收电路在开关动作瞬间等同于第一振铃回路(首先由于开关过程在极短时间(从数个纳秒至数十个纳秒)完成，在此过程中电感L的电流几乎不变，故电感L和电感Lp2(包括串联的Lp6)不参与振铃；其次，在振铃使得幅值超过电源Vi后，上管MOSFET(场效应管Q1)的沟道已完全打开，电容CQ被短路，也不参与振铃，故最终的振铃回路由图1左虚线方框中电路组成)(该电路可等效成图2(左)中LC谐振电路，新的LR和CR为Lp1、Lp5，Lp3,Lp4,CD等所有参与振铃的寄生感容的复合值)，所述第一振铃回路包括电源Vi、电感LR、电容CR、电容Csnub和电阻R，其中：
电源Vi的正极依次通过电感LR和电容CR与电源Vi的负极电性连接，电容CR的两端并接有电容Csnub和电阻R并且电容Csnub和电阻R串联。
更具体的是，由于所述第一振铃回路中的电容Csnub和电阻R的数值差距，(常Snubber的Csnub取值在数nF以上，在振铃频率fR(加了snubber后)下的阻抗很小，以Csnub＝2.2nF,fR＝150MHz为例，阻抗为1/(j*2πfR*Csnub)＝-0.48jΩ；而电阻R一般在数欧姆以上，故图2左可进一步近似等效位图2右)所述第一振铃回路等同于第二振铃回路，所述第二振铃回路包括电源Vi、电感LR、电容CR和电阻R，其中：
电源Vi的正极依次通过电感LR和电容CR与电源Vi的负极电性连接，电容CR的两端并接有电阻R。
进一步的是，所述第二振铃回路中电源Vi的计算公式为：
Figure BDA0002526378140000061
更进一步的是，根据电源Vi的计算公式得出电阻R的值为：
Figure BDA0002526378140000071
图3给出了不同电阻值的仿真对比，仿真条件为：Lp1＝Lp5＝10nH，Lp3＝Lp4＝2nH,Csnub＝10nF，CD＝200pF，当
Figure BDA0002526378140000072
电压振幅最低。
同时，Csnub越大，在RC snubber(电阻R和电容Csnub)并联到CR后，实际等效的CR会更大，意味着同样的阻尼电阻对振铃抑制效果越好。图4给出了在相同R(R＝2.2Ohm，其他电路寄生参数如前文)下，不同Csnub的仿真结果。电容越大，抑制振铃振幅效果越好；而且当电容达到一定程度大小以后，电容的增加给振铃抑制的效果并不显著，比如图中2500pF和3500pF对应的振幅对比。究其原因，在RC吸收支路，电路电抗为R+1/(j*2πfR*Csnub)，当Csnub达到使得1/(j*2πfR*Csnub)<<R时，此后Csnub的进一步增大对电路几乎忽略不计。
优选地，电阻R的损耗计算公式为：
Figure BDA0002526378140000073
其中，
Figure BDA0002526378140000074
为振铃峰值，fSW为开关频率；
场效应管Q1的损耗计算公式为：
PSW＝(t1+t2)×VSW×ISW×fSW。
另一个不能忽略的方面是，电阻Csnub越大，buck电路的损耗会越大，效率会越差。损耗包括两个方面，Psnub为RC吸收电阻上的损耗，可知该损耗正比于电容容值。图5为上管开通瞬间的驱动电压和MOSFET(场效应管Q1)上电流电压对应关系。PSW为MOSFET开关损耗(包括开通和关断损耗，并假设开通关断时间一致)，因为其中t2随Csnub的增大而增大，开关损耗也随之增大。可见，从较小损耗的角度，电容越小越好,需要在控制功耗和抑制振铃之间找到较好的平衡。
最后得到的振铃波形如图7(相对于图6)所示，可见振铃幅度大大减弱。另外，值得注意的是，该实验结果效果比仿真结果略差。主要原因是RC吸收电路本身也会导入寄生电感，削弱了RC吸收电路的效果。因此在实际的操作中，RC吸收电路需要尽量选择高频特性好的电阻电容(图6和图7是以LM33630为实例讨论buck的RC吸收电路)。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的电源、电感等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种提高EMC性能的RC吸收电路，用于改变汽车开车电源电路在开关动作瞬间产生的开关振铃频率并且抑制EMI，其特征在于，包括：
RC吸收电路包括电源Vi和场效应管Q1，所述电源Vi的正极和所述场效应管Q1的漏极电性连接，所述场效应管Q1的源极依次通过电感Lp1、电感Lp3、二极管D1、电感LP4和电感Lp5后与所述电源Vi的负极电性连接，所述二极管D1的两端并接有电容CD；
所述电感Lp1和所述电感Lp3的共接端依次通过电容Csnub和电阻R后与所述电感Lp4和所述电感Lp5的共接端电性连接；
所述电感Lp1和所述电感Lp3的共接端还依次通过电感Lp2、电感L、电容C2和电感Lp6后与所述电感Lp4和所述电感Lp5的共接端电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种提高EMC性能的RC吸收电路，其特征在于，RC吸收电路在开关动作瞬间等同于第一振铃回路，所述第一振铃回路包括电源Vi、电感LR、电容CR、电容Csnub和电阻R，其中：
电源Vi的正极依次通过电感LR和电容CR与电源Vi的负极电性连接，电容CR的两端并接有电容Csnub和电阻R并且电容Csnub和电阻R串联。
3.根据权利要求2所述的一种提高EMC性能的RC吸收电路，其特征在于，由于所述第一振铃回路中的电容Csnub和电阻R的数值差距，所述第一振铃回路等同于第二振铃回路，所述第二振铃回路包括电源Vi、电感LR、电容CR和电阻R，其中：
电源Vi的正极依次通过电感LR和电容CR与电源Vi的负极电性连接，电容CR的两端并接有电阻R。
4.根据权利要求3所述的一种提高EMC性能的RC吸收电路，其特征在于，所述第二振铃回路中电源Vi的计算公式为：
Figure FDA0002526378130000021
5.根据权利要求4所述的一种提高EMC性能的RC吸收电路，其特征在于，根据电源Vi的计算公式得出电阻R的值为：
Figure FDA0002526378130000022
6.根据权利要求3或5任一项所述的一种提高EMC性能的RC吸收电路，其特征在于，电阻R的损耗计算公式为：
Figure FDA0002526378130000023
其中，
Figure FDA0002526378130000024
为振铃峰值，fSW为开关频率；
场效应管Q1的损耗计算公式为：
PSW＝(t1+t2)×VSW×ISW×fSW。
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