剖析Flyback变换器的高频回路

摘要：通过深入分析Flyback变换器的高频回路，探讨如何通过选择布线技巧和适当的器件来减少高频回路对变换器性能的影响，如何权衡采取的布线措施与其它设计要求相互的冲突。

叙词：变换器 高频回路 布线技巧

Abstract：frequency loop of Flyback Convertor, the author discusses how to select wiring strategies and proper components to reduce the negative effect of high-frequency loop towards the function of convertors. The author also probes into ways to balance the adopted wiring strategies and other design strategies.

Keyword：Convertor, High-frequency loop, Wiring strategy

1. 引言

开关电源的噪声问题一直是工程师十分头痛的事情，比如样机不工作、有音频噪声、输出震荡或不稳定、次谐波震荡、保护电路总是误动作、输出纹波不正常和存在异常的噪声等。 为解决这些噪声问题，工程师一般需要花费大量的时间进行测试和调试，修改设计，或重新布线，那样会大大延误产品的开发进程。如果能找到一些通用的方法，在设计过程中预防或避免出现噪声问题，那就能大大地加快设计进程。

本文以应用最广的Flyback变换器为例，通过深入分析高频回路，探讨如何选择适当的器件和布线技巧，来减少高频回路对变换器性能的影响，如何权衡采取的布线措施与其它设计要求相互的冲突。

2. 深入分析高频回路

图1为简化的Flyback变换器的拓扑结构，主要包含有6个高频回路：(a)为原边功率回路A、(b)为副边高频功率回路B、(c)为钳位吸收回路C、(d)为驱动回路D、(e)为辅助绕组回路E，(f)为原边控制回路F。

图1 Flyback变换器中的高频回路:(a)原边高频功率回路A;(b)副边高频功率回路B;

(c)钳位吸收回路C;(d)驱动回路D;(e)辅助绕组回路E;(f)原边控制回路F。

2.1 原边功率回路A

图1(a) 所示，原边功率回路A由电容C2、变压器T1原边、晶体管Q1、采样电阻RS组成，当原边晶体管Q1导通时，实现变压器能量的存储。

A回路高频电流ip的成分十分复杂，尤其是开通时的电流尖峰(如图2所示)，它耦合了其它多个回路的高频信号。其中容易被忽略的是当原边晶体管Q1导通时，变压器寄生电容充电产生的电流和二极管D1、D2、D3的反向阻断恢复电流会耦合到A回路的高频电流ip中，对其它回路的影响后面详述。

图2回路A高频电流ip的波形

由于控制芯片的电流采样电阻也在回路A中，因此，原边晶体管的开通和关断产生的快速dv/dt和di/dt信号会对整体电路工作和EMI产生关键影响。因此，回路A的布线是至关重要的，回路面积要尽量小，一方面可以减小对其它回路的影响，另一方面也对EMI性能有帮助。由于高压电解电容C1的体积比较大，使得其很难靠近变压器T1和晶体管Q1，影响原边功率回路A面积的大小。而且高压电解电容C1高频性能也不好，通常会采用小的薄膜电容C2与高压电解电容C1并联来缩小回路A的面积。

2.2 副边功率回路B

如图1(b)所示，副边高频功率回路B，由变压器T1副边、整流二极管D2、高频电容C5和电解电容C6组成。当原边晶体管Q1关断后，变压器T1的储能通过其副边绕组和整流二极管D2向副边释放能量，对电容C5和C6充电。

回路B需要注意的地方，是变压器T1副边、整流二极管D2、高频电容C5和电解电容C6的布线回路面积，尤其是T1副边、D2和C5间的回路面积应尽量小，对二极管D2的关断电压过冲和EMI性能都有帮助。所以，C5一般采用高频性能很好的瓷片或薄膜电容，以克服电解电容的寄生参数的影响。

另外，值得一提的是，整流二极管D2的反向恢复电流和恢复时间，通常二极管的反向恢复电流和恢复时间在高温下会比常温高很多倍，甚至超过10倍，那样会引起很高的关断损耗，同时反向恢复电流会在原边晶体管Q1导通过程中耦合到原边A回路中，对控制芯片IC的电流采样信号产生影响，引起控制不正常。进一步讲，很高的关断损耗会进一步抬高二极管的温升，使得二极管的恢复特性进一步恶化，形成恶性循环。

2.3 钳位吸收回路C

如图1(c)所示，钳位吸收回路C由变压器T1原边、电容C3、电阻R1和二极管D1组成，用于钳位吸收变压器T1的漏感能量，减小晶体管Q1的关断电压尖峰。

在设计中，二极管D1的关断性能很容易被忽略。当变换器工作在电流连续模式时，二极管D1的关断性能对变换器性能的影响尤为突出。当晶体管Q1导通时，C1和C2上的输入电压加上C3上的钳位电压，会一起加到二极管D1上，从而引起很大的反向恢复电流(如图2所示)，导致D1很大的关断损耗。如果选用恢复特性差的快恢复二极管，会使D1的温升很高，即使在25℃环温下，甚至可以超过125℃。不少厂家在这方面有过不少教训。

因此，在电流连续模式下，必须选用恢复特性很好的快恢复二极管而不是普通的快恢复二极管FR107等，推荐选择反向恢复时间小于75nS的超快恢复二极管。

2.4 辅助绕组回路D

如图1(d)所示，辅助绕组回路D由变压器辅助绕组Na、二极管D3和电容C7组成。

二极管D3往往会选择开关二极管(1N4148)或肖特基二极管，由于这些二极管的快速关断特性，很容易产生远高于开关频率的高频振荡，会影响到变换器的EMI性能，甚至会通过变压器绕组耦合到副边产生额外的辐射。因此，回路D要求有尽量小的回路面积，有时还需要在二极管D3上串一个电阻以抑制高频振荡。

2.5 原边控制回路E

如图1(e)所示，原边控制回路E，由控制芯片IC、旁路电容C8和采样电阻Rs组成。

回路E有两点需要注意，C8必须尽量靠近控制芯片IC，同时与控制芯片IC的Vcc和接地引脚形成最小回路;采样电阻Rs到芯片反馈端的回路需要避免和回路A的耦合，采用单点接地的方式与回路A连接。

2.6 驱动回路F

如图1f中所示，驱动回路F，由控制芯片IC、门极驱动电阻Rgs、晶体管Q1和采样电阻Rs组成。

当原边晶体管Q1导通时，需要对晶体管Q1的门极充电，在驱动回路F会产生很大的电流尖峰。这个电流尖峰会耦合到回路A中，如图2中的高频电流ip的尖峰，其大小取决于门极电阻Rgs和控制芯片的驱动阻抗。而且，这个电流尖峰会直接从电容C8上抽取，造成控制芯片IC的Vcc电压瞬间波动，导致对反馈环路工作的影响和芯片误关断。因此，晶体管Q1的门极驱动往往采用不对称驱动，即开通慢关断快。

如果旁路电容C8没有紧靠控制芯片IC，晶体管Q1导通时需要的开通尖峰电流，会导致控制芯片IC的电压瞬间跌落，造成控制芯片IC重起、晶体管在开通过程中的密勒效应区产生振荡、或反馈控制不正常等怪异现象。

3. 高频回路的布线技巧

高频回路的布线需要注意高频回路面积、地线及其布线、过孔的阻抗和回路间的相互耦合。

⑴ 回路耦合

回路耦合是布线中最需要注意的地方。比如，上述的Flyback高频回路中，原边控制回路E放入原边功率回路A就会引起明显的耦合干扰，从而引起变换器工作异常。因此，布线时应尽量避免回路间的耦合，通常单点接地是常见的避免回路耦合的方法。

⑵ 单点接地(2)

单点接地也称“Y”型接地，本文提到的Flyback变换器的高频回路单点接地方式如图3所示。但实际的布线中通常会有一些器件是多个回路共用的，比如图1中电流采样电阻RS就是原边功率回路A、原边控制回路E和驱动回路F的共用器件。在这种情况下，可以通过采样电阻RS的焊盘处做单点接地连接，以尽量减小回路间的耦合，如图4所示。

图3 Flyback变换器的单点接地 图4共用器件的单点接地

⑶ 地线

地线是高频回路布线的关键，不仅会影响变换器的正常工作和电气性能指标，还会影响变换器的电磁兼容EMC性能。因此，通常会通过大面积的铺地来减小接地阻抗，同时可以起到电磁屏蔽的作用。在电源适配器(Adapter)中经常采用整块接地的PCB做屏蔽，或者用接地的金属薄片包裹电源适配器，起到均匀散热和电磁屏蔽的作用。在双面板和多层板中，可以通过整层的地平面来实现大面积接地，同时对均匀散热也会有很大帮助。

当大面积接地不能实现时，尽量能保证地线的宽度>2.54mm，否则只能起到电气连接的作用，地线的高频接地阻抗会很高，起不到接地的作用。

另外，地线应尽量避免过孔、跳线，当地线和其它布线冲突时，应优先照顾地线，避免单一过孔和跳线。

⑷ 回路面积

在保证电气绝缘的基础上，回路面积应该越小越好，一方面可以减小对其他回路的耦合，另一方面可以改善变换器的EMI特性。图5和图6所示为单面板的高频回路面积的例子，其中黑线条和箭头包围的面积就是回路面积，两者元器件位置完全相同，但图4的回路面积就要远远大于图5的回路面积。

图5大的回路面积 图6小的回路面积

⑸ 过孔

过孔在多层板中经常使用，其寄生参数会对高频接地阻抗产生很大影响。过孔寄生参数包括寄生电容和寄生电感，经验公式如下所示。

其中：T为PCB厚度，e为板材的介电常数，D1为过孔焊盘直径，D2为焊盘区直径，h为过孔的长度，d为过孔直径。

在100MHz的频率下，一个0.254mm的常规过孔，寄生电感的阻抗可以达到0.64Ohm，如果用于接地又同时有1A电流，就会产生0.64V的压降，影响接地效果，甚至变换器工作。如果这个过孔在地线上，那会对变换器EMI的接地阻抗产生很大影响。

因此，在布线时，尽量避免通过过孔接地。如不能避免过孔接地，可以通过多个过孔并联连接，同时加大过孔直径，降低接地阻抗。

4. 权衡与其它设计要求的冲突

经过对Flyback变换器中的高频回路逐一深入分析，可以发现布线对变换器的性能是至关重要的。通过单点接地方式同时减小高频回路面积，以避免上述高频回路间的耦合和相互干扰。但实际布线过程中会碰到许多别的设计要求，使得这些措施很难同时完全做到。下述是常见的实际问题和相应的对策。

⑴ 元器件体积

比如变压器T1的体积、高压电解电容C1的体积和晶体管Q1散热片的体积，再考虑电气绝缘，使得这些器件必须保持一定距离，导致较大的回路面积。当这些器件距离不能缩短时，可以考虑通过PCB铺铜来缩小回路面积，如图5所示;或者通过跳线在单面板上实现双面板的效果。多层板可以考虑整层铺地的方式来减小回路面积，同时减小肌肤效应和临近效应的影响。

⑵ 机械结构的要求

通常产品会有外壳、接插件或线缆，为了配合这些结构件，它们对内部的元器件布置会有一些特殊的要求，从而导致高频回路中器件不能按照最小回路面积放置。在这种情况下可以参照图5的类似方式，通过PCB铺铜来缩小回路面积。

⑶ 热平衡的考虑

如果仅从回路面积的角度，就需要将许多发热的器件靠得很近，产生局部热点，比如晶体管Q1、变压器和副边二极管D2。如果从产品的温升角度考虑，需要尽量把发热的器件放到最容易散热的位置，但那样又会使高频回路中器件不能按照最小回路面积放置。在这种情况下可以参照图5的类似方式，通过PCB铺铜来缩小回路面积，同时就可以保证发热器件的散热。

⑷ 安规和电气绝缘的要求

安规和电气绝缘的要求，使得不少布线不能靠得很近，导致高频回路的回路面积不能最小化。通常可以通过跳线和挖槽来解决安规绝缘距离要求与回路面积的冲突。

⑸ 生产工艺的要求

通常许多电源的输入输出线或插座往往需要通过手工焊接，但为缩小回路面积，PCB版有许多大面积的铺铜，虽然可以帮助元器件散热，但同时会导致手工焊点的虚焊。对于表面贴SMT的器件，也容易引起立碑等虚焊现象。为解决虚焊的问题，可以采取花焊盘如图7所示。

通常每个公司采用的生产设备都不尽相同，或多或少有相应的可生产性规范(DFM guideline)，对于插件、表面贴和拼版工艺有很多规定，因此布线还是需要参考这些规范。

图7 预防虚焊的花焊盘

当面临上述冲突时，往往不能两全，因此需要从优先级去分步采取解决措施，甚至是在某方面做出一些牺牲。通常安规和电气绝缘是首要满足的，机械结构的要求次之，热平衡和生产工艺再做考虑。

5. 总结

通过上述深入分析Flyback变换器的高频回路，可以从高频回路入手，然后采取相应的措施，比如布线技巧及合适的器件等措施，来减少高频回路对变换器性能的影响。

当采取的措施相互冲突时，根据优先级进行权衡，就可以设计出性价比好，有利于大批量生产的产品。

参考文献

[1] 林渭勋，《现代电力电子技术》，2006年1月，机械工业出版社。

[2] 钱照明，程肇基等，《电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术》，2000年 12月，浙江大学出版社。

[3] 郎为民，《表面组装介绍及应用》，2007年9月1日，机械工业出版社。

作者简介

黄敏超，男，1998年浙江大学电力电子专业博士研究生毕业，其间进行太阳能微型高频链逆变器的研究。曾任职于伊博电源(杭州)有限公司研发部经理，从事DC/DC模块和高功率密度节能电源适配器的开发;通用电气全球研发中心电力电子实验室高级工程师，研发核磁共振影像仪用的线圈驱动电源;晟朗电力电子有限公司亚太区工程副总经理，从事医疗电源的研发。现任职上海正远咨询有限公司总经理及资深咨询师，从事电力电子产品、EMC和可靠性等疑难问题的技术咨询和研发，提供研发设计体系和团队建设服务。■