如何通過提升開關(guān)電源的EMI特性來改善整個電路的EMI性能

為提高開關(guān)電源的功率密度，電源工程師首先想到的辦法是選擇開關(guān)頻率更高的MOSFET，通過提高開關(guān)速度可以顯著地減小輸出濾波器體積，從而在單位體積內(nèi)可實現(xiàn)更高的功率等級。但是隨著開關(guān)頻率的提高，會帶來EMI特性的惡化，必須采取有效的措施改善電路的EMI特性

開關(guān)電源的功率MOSFET安裝在印制電路板上，由于印制電路板上MOSFET走線和環(huán)路存在雜散電容和寄生電感，開關(guān)頻率越高，這些雜散電容和寄生電感更加不能夠忽略。由于MOSFET上的電壓和電流在開關(guān)時會快速變化，快速變化的電壓和電流與這些雜散電容和寄生電感相互作用，會導(dǎo)致電壓和電流出現(xiàn)尖峰，使輸出噪聲明顯增加，影響系統(tǒng)EMI特性。

由1-1和1-2式可知，寄生電感和di/dt形成電壓尖峰，寄生電容和dv/dt形成電流尖峰。這些快速變化的電流和關(guān)聯(lián)的諧波在其他地方產(chǎn)生耦合的噪聲電壓，因此影響到開關(guān)電源EMI特性。下面以反激式開關(guān)拓撲為例，對降低MOSFET的dv/dt和di/dt措施進行介紹。

圖1 MOSFET噪聲源

1 降低MOSFET的dv/dt

圖2 MOSFET等效電路

我們關(guān)注的是MOSFET特性以及影響這些特性的寄生效應(yīng)：

1-3中，Rg和Cgd越大，dv/dt越低。1-4中，Coss越低，dv/dt越高。在MOSFET選型中，MOSFET的Coss、Ciss、Crss參數(shù)特性，影響開關(guān)尖峰大小。

從上述分析中可知，我們可以通過提高MOSFET寄生電容Cgd、Cgs、Cds和增大驅(qū)動電阻值Rg來降低dv/dt。

圖3 降低MOSFET的dv/dt措施

可以采取以下有效措施：

● 較高的Cds可以降低dv/dt并降低Vds過沖；但是較高的Cds會影響轉(zhuǎn)換器的效率?？梢允褂镁哂休^低擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻的MOSFET（這類MOSFET的Cds也較小）。但是如果考慮噪聲輻射，則需要使用較大的諧振電容（Cds）。因此提高Cds則需要權(quán)衡EMI和效率兩者的關(guān)系；

● 較高的Cgd實質(zhì)上增加了MOSFET在米勒平臺的持續(xù)時間，可以降低dv/dt。但這會導(dǎo)致增加開關(guān)損耗，從而降低MOSFET效率并且會提高其溫升。提高Cgd，需要驅(qū)動電流也會大幅增加，驅(qū)動器可能會因瞬間電流過大而燒毀；建議不要輕易添加Cgd；

● 在柵極處添加外部Cgs電容，但很少使用此方法，因為增加柵極電阻Rg相對更簡單。效果是相同的。

總結(jié)

圖3總結(jié)為降低MOSFET的dv/dt措施總結(jié)。MOSFET內(nèi)部寄生參數(shù)（Cgd和Cds）較低時，就可能有必要使用外部Cgd和Cds來降低dv/dt。外部電容的范圍為幾pF到100pF，這為設(shè)計人員提供這些寄生電容的固定值進行參考設(shè)計。

2 降低電路中di/dt

圖4 降低MOSFET的di/dt措施

圖4，MOSFET驅(qū)動階段中存在的各個di/dt部分產(chǎn)生兩種效果：

● G極、D極、S極處的雜散電感引起的噪聲電壓；

● 初級大環(huán)路的噪聲電壓。

可通過下面措施進行改進：

1、增加高頻電容減小環(huán)路面積

我們可以采取措施減小高頻電位跳變點的PCB環(huán)路面積。增加高頻高壓直流電容C_IP是減少PCB環(huán)路面積和分離高頻和低頻兩個部分回路有效措施。

2、合理增加磁珠抑制高頻電流

為了額外降低di/dt，可以在電路中增加已知的電感，以抑制高頻段的電流尖峰和振蕩。已知的電感與雜散電感串聯(lián)，所以總電感值在設(shè)計者已知的電感范圍內(nèi)。鐵氧體磁珠就是很好的高頻電流抑制器，它在預(yù)期頻率范圍內(nèi)變?yōu)殡娮瑁⒁詿岬男问较⒃肼暷芰俊?/p>

3 推薦測試方案

正確使用和選擇測量儀器和測量方法有助快速定位問題根源。調(diào)試時采用PWR2000W變頻電源提供輸入電壓，在被測試電路出現(xiàn)異常時可以及時保護電路。普通測試探頭容易引入額外寄生電感，造成噪聲在普通探頭中形成反射，引起振蕩，會給測量引入不確定因素。采用我司推出的ZP1500D高壓差分探頭，其輸入阻抗高達10MΩ，CMRR可達80dB以上，適合直接對MOSFET測量。ZDS4000系列示波器為數(shù)據(jù)挖掘型示波器，具有500M模擬帶寬和512M存儲深度，完全滿足深度噪聲測量需求。圖5為推薦參考測試方案框圖。

圖5 MOSFET噪聲測試方案

1、MOSFET電流測試波形圖

如圖5，在G極、S極和RCD電路中分別添加鐵氧體磁珠進行優(yōu)化。使用電流探頭ZCP0030和ZDL6000示波記錄儀進行測量。在輸入110VAC@50Hz/輸出100VDC@8A條件下，優(yōu)化后（通道2藍色）比優(yōu)化前（通道1紅色），電流尖峰和振蕩明顯降低。

圖6 電流尖峰優(yōu)化前后對比

2、MOSFET電壓測試波形圖

在MOSFET的DS極兩端并510pF高壓電容，測試Vgs和Vds，優(yōu)化后比優(yōu)化前的電壓尖峰小30V左右，有效降低電壓尖峰，有助與減少EMI。

圖7 電壓尖峰優(yōu)化前

圖8 電壓尖峰優(yōu)化后

4 小結(jié)

在電路的關(guān)鍵節(jié)點增加電容、磁珠以及在MOSFET外接Cds、增大Rgon等，是降低MOSFET電壓尖峰和電流尖峰的有效措施，從而改善電路EMI性能。此外合適的測量儀器設(shè)備是電源工程師快速定位問題必不可少的工具，通過科學的測量方法和有效的改善手段，可使低噪高功率密度電源產(chǎn)品快速成型。
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