二極管輻射發射問題產生原因分析

1.1、二極管反向恢復

二極管正向導通時，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，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關電源中。

作為續流元件工作在斷續模式時，存在反向恢復電流，反向恢復時產生的電壓尖峰會影響極管的電應力。電路工作在斷續模式，二極管寄生電容與環路中的寄生電感產生的寄生振蕩也是輻射發射產生的重要原因之一。

 

1.2、Buck電路續流二極管寄生振蕩產生原因分析

MOS管開通時，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動態節點的電壓等于輸入電壓時，積累在LB3、LB5中的能量與CB3電容產生LC串聯諧振，從而產生上沖振鈴干擾。

開關MOS管開通時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動態節點的電壓等于輸入電壓時，積累在LB2、LB3、LB4中的能量與CB2電容產生LC串聯諧振，從而產生上沖振鈴干擾。

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

 

1.4、反激開關電源次級整流二極管寄生振蕩產生原因分析

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發生振蕩，其振蕩頻率為：

反激式MOS管關斷，副邊二極管由通轉向關斷，原邊勵磁電感被釋放，CDS和原邊電感的雜散電容為并聯狀態，再和原邊電感LP(勵磁電感+漏感之和)產生的振蕩噪聲，通過變壓器耦合到次級，形成共模電流環路。

 

1.5、反激電路原邊RCD吸收電路二極管寄生振蕩產生原因分析

變壓器漏感產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質上還是反向恢復時間。通過在RCD吸收二極管兩端并聯電容，可以調整由RCD吸收二極管反向恢復引起的輻射問題。

 

二極管反向恢復電流輻射發射問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，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模式下。

 

2.1、二極管器件選型

根據實際應用需要，選擇合適的二極管參數對電氣性能可靠性設計至關重要，二極管通流量越大意味著寄生電容可能越大，反向恢復時間也就可能更長，工作在斷續模式下，產生寄生振蕩的頻率就越低。

二極管并聯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路中產生感應噪聲電壓。

 

2.2、二極管增加RC吸收電路改善反向恢復電流問題

Buck 續流二極管并聯RC吸收電路

Boost升壓二極管并聯RC吸收電路

開關次級整流二極管增加RC電路

RCD吸收二極管并聯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電容，使用RC電路是因電容在充放電瞬間產生電流尖峰，通過串聯電阻可以抑制電容充放電的電流尖峰。另外，電容與寄生電感產生寄生振蕩時，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47pF吸收電容時波形

波形說明：通過僅在RCD吸收二極管兩側并聯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30ohm電阻時波形

通過僅修改串聯電阻參數可以改變原邊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、續流二極管寄生電容引起的寄生振蕩

輻射發射測試數據

某產品輻射發射測試195MHz頻點超出標準限值，超標頻點呈現包絡狀，寬帶干擾基本確定為開關電源電路產生。

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二極管增加RC吸收電路會影響到溫升。降低環路寄生電聯RC電路，輻射發射問題改善非常明顯，感則不會影響溫升指標，縮短環路布線長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吸收后輻射發射測試數據

寄生電感通常是由PCB布線產生，降低寄生電感可以從縮短PCB布線，增加PCB布線寬度縮小環路面積的角度進行，還可以高頻旁路電容進行環路旁路，從而達到降低布線寄生電感的目的。

縮短PCB布線的方法

續流二極管輸出增加高頻旁路電容后輻射發射測試數據

Boost續流二極管電流環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，還可以通過在環路中增加阻尼的方式，抑制寄生振蕩。由于是功率環路，無法通過增加電阻的方式實現；在環路中增加磁珠，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，根據電感兩端電流不能突變的特性，電感會產生反向電壓尖峰，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續流二極管前增加串聯磁珠

Boost續流二極管前增加串聯磁珠后輻射發射測試數據

Boost續流二極管前增加串聯磁珠波形

問題解決方案：

在二極管兩端并聯RC吸收電路，具體參數根據實際調試結果，副作用是影響二極管的溫升。

降低環路中的寄生電感，即縮短輸出端高頻電容到集成MOS管參考地之間的布線長度，無任何副作用。

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