一种基于开关电源电路的二极管寄生参数的提取方法.pdf

一种基于开关电源电路提取二极管寄生参数的提取方法，属于电磁兼容技术领域。首先，将被测二极管置于开关电源电路中，分析电路机理，获取输出电流频谱与二极管寄生参数之间的定量关系，并读出输出电流频谱的尖峰频点；在二极管前端串联辅助测试电感，读出不同情况下的输出电流频谱尖峰频点；根据输出电流频谱与二极管寄生参数之间的定量关系，计算得到二极管的寄生电阻、寄生电感和寄生电容；最后在时域通过拟合的方式对寄生电阻值进行修正。本发明基于的开关电源电路设计难度低，可实现性强；针对二极管中的寄生参数量级小问题，避免了传统方法对工艺的高精度要求，降低了提取二极管寄生参数的成本，同时，提升了提取速度，具有较好的提取精度和稳定性。

1.一种基于开关电源电路提取二极管寄生参数的提取方法，其特征在于：
第一步，被测二极管置于开关电源电路中，获取输出电流频谱峰值与二极管寄生参数
值之间的关系；
第二步，通过在二极管前端串联辅助测试电感的方式，记录不同的电感所对应的输出
电流频谱峰值；
第三步，根据频谱峰值与二极管寄生参数之间的关系，计算出二极管的寄生电阻、寄生
电感和寄生电容；
第四步，在时域上分析振铃波形的衰减规律，并进行拟合，结合第三步中求解的二极管
的寄生电阻、寄生电感和寄生电容，对寄生电阻进行相应的修正。
2.根据权利要求1所述的基于开关电源电路提取二极管寄生参数的提取方法，其特征
在于：所述第一步至第四步具体实现如下：
第一步：在二极管前端不加辅助电感LX，即LX＝0，分析负载RL两端输出信号，获得负载RL
频谱中包络分量的主峰对应的频率值f0，并存在关系式：
f0＝F[C0，R0，L0] (1)
C0，R0，L0分别为二极管中寄生电容、寄生电阻和寄生电感值；
第二步：在二极管前端加辅助电感LX1，分析负载RL两端输出信号，获得负载RL频谱中包
络分量的主峰对应的频率值f1，并存在关系式：
f1＝F[C0，R0，L0+LX1] (2)
第三步：在二极管前端加辅助电感LX2，分析负载RL两端输出信号，获得负载RL频谱中包
络分量的主峰对应的频率值f2，并存在关系式：
f2＝F[C0，R0，L0+LX2] (3)
第四步：联立(1)(2)(3)式，求出C0，R0，L0；
第五步：二极管电流波形即为振铃，振铃波形每个震荡周期顶点的幅度以指数规律
衰减，按照ke-αt规律拟合出α值，由带入第四步中求出的C0值，算出R0修正
值，从而对寄生电阻进行相应的修正。

一种基于开关电源电路的二极管寄生参数的提取方法

技术领域

本发明涉及一种基于开关电源电路的提取二极管寄生参数的方法，属于电磁兼容
技术领域。

背景技术

随着集成电路技术的发展，电子电路中元器件的体积大幅度减小，同时密度迅速
提高，使得元器件的寄生参数效应更加明显，且影响到电子模块/设备的电磁发射/电磁敏
感特性。因此，为精确预测电子模块/设备的电磁兼容性，提取元器件的寄生参数成为必不
可少的研究工作。

二极管作为电子电路中最常用的元器件之一，其寄生参数对整体电路有着十分重
要的影响，因此如何提取二极管的寄生电容、电感与电阻，成为十分紧迫的课题。目前，提取
二极管寄生参数使用的方法多为使用RLC测试仪进行测试，而其相对高的成本和繁琐的使
用步骤，使其有着先天的不足。如何快速、高效、低成本且相对精确地进行二极管寄生参数
提取成为一项必要的研究内容。

目前尚有相关文献报道。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，针对二极管寄生参数，提供一种基于
开关电源电路的提取方法，

本发明的原理：由于二极管由导通到关断的一瞬间会在开关电源电路中产生反向
恢复电流，而二极管寄生参数的存在为该电流提供了回路，回路中电感、电容等元器件的频
率选择性，导致回路中产生振铃效应，并在负载输出端产生干扰，对应的输出频谱出现以特
定频率为朱峰、幅值向两侧递减的离散包络。该特定频率值与二极管寄生参数值存在对应
关系：f＝F[C0，R0，L0]，其中C0，R0，L0分别为二极管中寄生电容、寄生电阻和寄生电感值。在
输出频谱中得到该特定频率值后，经过多组数据的比对与处理，即可获得二极管寄生电容、
寄生电感和寄生电阻值。

一种DC-DC开关电源电路如图1所示。对于实际电路，二极管中存在电阻、电感、电
容等寄生参数，使得开关电源电路如图2所示。

分析开关电源工作时的电路状态，在开关管截止时，变压器两端电压处于高电平，
二极管D导通，滤波电容Cf处于充电状态；当开关管由截止状态变为导通状态时，变压器两
端处于低电平，二极管D截止，滤波电容Cf处于放电状态。Cf的放电回路有两个，第一个为负
载电阻RL；第二个为二极管的寄生电容、寄生电阻和寄生电感组成的二极管电路，该回路中
产生的电流即为二极管的反向恢复电流。根据二极管回路中各元器件的阻抗特性，在谐振
频率处产生振铃效应，并表现在负载端电流的频谱特性上。

下面通过分析振铃效应的产生原理，推导该谐振频率的表达式。滤波电容Cf对二
极管的放电回路如图3所示。

设放电电流为i(t)，寄生电阻R0两端电压为u(t)，根据基尔霍夫电压电流定律可
得到：

$u\left(t\right)+L\frac{di\left(t\right)}{dt}=0$

$C_0\frac{du\left(t\right)}{dt}+\frac{u\left(t\right)}{R_0}=i\left(t\right)$

综合上式可以得到：

$LC\frac{d^{2}i\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{L}{R}\frac{di\left(t\right)}{dt}+i\left(t\right)=0$

其特征方程为：

$S^2+\frac{1}{RC}S+\frac{1}{LC}=0$

可得到特征根如下：

$\frac{-\frac{1}{RC}\±\sqrt{\frac{1}{R^2{C}^2}-\frac{4}{LC}}}{2}$

根据特征根表达式，可得到该放电回路的谐振频率为：

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{1}{LC}-\frac{1}{4R^2{C}^2}}$

$f=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{1}{LC}-\frac{1}{4R^2{C}^2}}$

从时域角度分析振铃效应的波形，如图4所示，其波形的表达式为：

i(t)＝ke-αtcos(ωt+θ)

上式中，ω为谐振频率的表达式，即震荡角频率。将每个震荡周期的顶点连接起
来，其按照ke-αt规律衰减，如图5中蓝色虚线所示。

其中：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2R_0{C}_0}$

该谐振频率f的存在，使得滤波电容Cf的放电电流产生振铃效应，并在输出频谱中
表现为以f为主峰值的离散包络。

根据主峰值f与二极管中各寄生参数的关系表达式，可通过多次人为改变寄生参
数值，得到不同的主峰值f，以求解出各寄生参数值的大小。测试电路图如图6所示，LX为测
试用辅助电感。

本发明所提出的基于开关电源电路提取二极管寄生参数的方法有以下步骤：被测
二极管置于开关电源电路中，获取输出电流频谱峰值与二极管寄生参数值之间的关系；通
过在二极管前端串联辅助测试电感的方式，记录不同的电感所对应的输出电流频谱峰值；

根据频谱峰值与二极管寄生参数之间的关系，计算出二极管的寄生电阻、寄生电
感和寄生电容；在时域上分析振铃波形的衰减规律，并进行拟合，结合求解的二极管的寄生
电阻、寄生电感和寄生电容，对寄生电阻进行相应的修正。

具体实现如下：

第一步：二极管前端不加辅助电感LX。如图6所示，分析负载RL两端输出信号，获得
其频谱中包络分量的主峰对应的频率值f0，并存在关系式：

f0＝F[C0，R0，L0] (1)

C0，R0，L0分别为二极管中寄生电容、寄生电阻和寄生电感值；

第二步：二极管前端加辅助电感LX1如图7所示，分析负载RL两端输出信号，获得其
频谱中包络分量的主峰对应的频率值f1，并存在关系式：

f1＝F[C0，R0，L0+LX1] (2)

第三步：二极管前端加辅助电感LX2，如图8所示，分析负载RL两端输出信号，获得其
频谱中包络分量的主峰对应的频率值f2，并存在关系式：

f2＝F[C0，R0，L0+LX2] (3)

第四步：联立(1)(2)(3)式，求出C0，R0，L0。

第五步：根据振铃时域波形，如图5，连接每个震荡周期的顶点，按照ke-αt规律进行
拟合，其中t为时间。拟合得出α值，由带入第四步中C0值，算出R0修正值。

本发明的优点在于：

(1)基于开关电源电路进行寄生参数提取，配合信号源和频谱仪使用，可操作性强
于目前使用RLC测试仪的测试方法；

(2)整体成本低于目前主流方法，具有实用性与可推广型；

(3)运算速度较快，适合处理大量二极管的检测工作；

(4)运算结果准确性相对较高。

附图说明

图1为DC-DC开关电源电路图；

图2为考虑寄生参数的开关电源电路图；

图3为滤波电容Cf对二极管的放电回路；

图4为振铃效应时域波形；

图5为振铃波形和各震荡周期顶点衰减规律；

图6为基于开关电源电路的测试电路图；

图7串联辅助电感LX1示意图；

图8串联辅助电感LX2示意图；

图9为不串联辅助电感时，电流频谱主峰频点值；

图10为串联10μH辅助电感时，电流频谱主峰频点值；

图11为串联20μH辅助电感时，电流频谱主峰频点值；

图12为PIN二极管的振铃时域电流波形；

图13为ln[i(t)]与t值7点线性拟合结果；

图14为ln[i(t)]与t值6点线性拟合结果；

图15为ln[i(t)]与t值5点线性拟合结果；

图16为ln[i(t)]与t值4点线性拟合结果；

图17为ln[i(t)]与t值3点线性拟合结果；

图18为ln[i(t)]与t值2点线性拟合结果。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图2所示，一种典型DC-DC开关电源电路，L0、C0、R0分别为二极管的寄生电感、寄
生电容和寄生电阻，Cf为滤波电容。

第一步：不串联标准电感，如图6所示。用直流稳压电源进行12V供电，在负载导线
处，测量导线上电流，得出其电流频谱主峰频点值，如图9所示。根据仿真结果，读取出频谱
上包络主峰所对应频点f0为5.01MHz。

第二步：二极管前端加辅助电感LX1＝10μH，如图7所示。用直流稳压电源进行12V供
电，在负载导线处，测量导线上电流，得出其电流频谱主峰频点值，如图10所示。根据仿真结
果，读取出频谱上包络主峰所对应频点f1为3.55MHz。

第三步：二极管前端加辅助电感LX2＝20μH，如图8所示。用直流稳压电源进行12V供
电，在负载导线处，测量导线上电流，得出其电流频谱主峰频点值，如图11所示。根据仿真结
果，读取出频谱上包络主峰所对应频点f2为2.9MHz。

第四步：该电路谐振频率表达式为：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{1}{LC}-\frac{1}{4R^2{C}^2}}$

根据前面步骤中测量所得的主峰值频率f0、f1、f2，将结果代入谐振频率表达式中，
进行联立求解，可得到二极管的寄生参数值R0、L0、C0如下：

$L_0=2L_X\frac{{f_2}^2-{f_3}^2}{{f_1}^2+{f_3}^2-2{f_2}^2}$

$C_0=2\frac{L_X}{4{\mathrm{\π}}^2{L}_0(L_0+L_X)({f_1}^2-{f_2}^2)}$

$R_0=\frac{1}{2C_0}\sqrt{\frac{L_0{C}_0}{1-4{\mathrm{\π}}^2{L}_0{C}_0{f_1}^2}}$

经计算可以得到：

L0′＝10.096μH

C0′＝99.894PF

R0′＝6433Ω

与仿真中实际使用寄生参数对比，可以计算出该理论方法的寄生参数提取误差
为：

$\mathrm{\Δ}\left(L_0\right)=\left|\frac{{L_0}^{\′}-L_0}{L_0}\right|\×100\%=0.96\%$

$\mathrm{\Δ}\left(C_0\right)=\left|\frac{{C_0}^{\′}-C_0}{C_0}\right|\×100\%=0.106\%$

$\mathrm{\Δ}\left(R_0\right)=\left|\frac{{R_0}^{\′}-R_0}{R_0}\right|\×100\%=28.66\%$

第五步：PIN二极管的振铃时域电流波形如图12所示，从中选取7个点，进行包络曲
线拟合。规律为：

i(t)＝ke-αt

其中：

将其进行适当变化，可得到：

ln[i(t)]＝-αt+ln(k)

即为将ln[i(t)]与t值进行线性拟合，求出斜率α的值，拟合结果如图13至18所示，
分别表示7点、6点、5点、4点、3点、2点线性拟合。

拟合结果如下所示：

α＝1233405，R0＝4058.3Ω，ΔR0＝18.834％

α＝1079819，R0＝4635.5Ω，ΔR0＝7.29％

α＝1059887，R0＝4722.7Ω，ΔR0＝5.546％

α＝1039088，R0＝4817.2Ω，ΔR0＝3.656％

α＝1014782，R0＝4932.6Ω，ΔR0＝1.348％

α＝981776，R0＝5098.4Ω，ΔR0＝1.968％

可以看出，时域拟合由于其不受限于PWM开关频率，其寄生电阻的求解结果误差可
低至1％左右。

可以看到，该提取二极管寄生参数的方法，在频域进行分析对于二极管中的寄生
电感和寄生电容有着很高的精确度，但对于寄生电阻则精确度较低，再在时域分析电流波
形，进行拟合，计算出寄生电阻值，其具有较高的精度。因此，该方法在实际使用中有着很好
的可靠性与实用性。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本
发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修
改，均应涵盖在本发明的范围之内。