| 開(kāi)關(guān)式電源設計發(fā)展趨勢是小型化。開(kāi)關(guān)電源小型化設計中，提高開(kāi)關(guān)頻率可有效提高電源的功率密度。但隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率提升，電路電磁干擾（EMI）問(wèn)題使電源工程師面臨了更大的挑戰。本文以反激式開(kāi)關(guān)拓撲為例，從設計角度，討論如何降低電路EMI。
為提高開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率更高的MOSFET,通過(guò)提高開(kāi)關(guān)速度可以顯著(zhù)地減小輸出濾波器體積，從而在單位體積內可實(shí)現更高的功率等級。但是隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的提高，會(huì )帶來(lái)EMI特性的惡化，必須采取有效的措施改善電路的EMI特性
開(kāi)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(xiàn)和環(huán)路存在雜散電容和寄生電感，開(kāi)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(kāi)關(guān)時(shí)會(huì )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(huì )導致電壓和電流出現尖峰，使輸出噪聲明顯增加，影響系統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(kāi)關(guān)電源EMI特性。下面以反激式開(kāi)關(guān)拓撲為例，對降低MOSFET的dv/dt和di/dt措施進(jìn)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：
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參數特性，影響開(kāi)關(guān)尖峰大小。
從上述分析中可知，我們可以通過(guò)提高M(jìn)OSFET寄生電容Cgd、Cgs、Cds和增大驅動(dòng)電阻值Rg來(lái)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(guò)沖；但是較高的Cds會(huì )影響轉換器的效率�？梢允褂镁哂休^低擊穿電壓和低導通電阻的MOSFET（這類(lèi)MOSFET的Cds也較�。�。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則需要權衡EMI和效率兩者的關(guān)系；
較高的Cgd實(shí)質(zhì)上增加了MOSFET在米勒平臺的持續時(shí)間，可以降低dv/dt。但這會(huì )導致增加開(kāi)關(guān)損耗，從而降低MOSFET效率并且會(huì )提高其溫升。提高Cgd，需要驅動(dòng)電流也會(huì )大幅增加，驅動(dòng)器可能會(huì )因瞬間電流過(guò)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(jiǎn)單。效果是相同的。
總結：
圖3總結為降低MOSFET的dv/dt措施總結。MOSFET內部寄生參數（Cgd和Cds）較低時(shí)，就可能有必要使用外部Cgd和Cds來(lái)降低dv/dt。外部電容的范圍為幾pF到100pF，這為設計人員提供這些寄生電容的固定值進(jìn)行參考設計。
2、 降低電路中di/dt
圖 4 降低MOSFET的di/dt措施
圖4 MOSFET驅動(dòng)階段中存在的各個(gè)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(guò)下面措施進(jìn)行改進(jìn)：
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(diǎn)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(gè)部分回路有效措施。
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)，所以總電感值在設計者已知的電感范圍內。鐵氧體磁珠就是很好的高頻電流抑制器，它在預期頻率范圍內變?yōu)殡娮�，并以熱的形式消散噪聲能量�?/font>
3、 推薦測試方案
正確使用和選擇測量?jì)x器和測量方法有助快速定位問(wèn)題根源。調試時(shí)采用PWR2000W變頻電源提供輸入電壓，在被測試電路出現異常時(shí)可以及時(shí)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(huì )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系列示波器為數據挖掘型示波器，具有500M模擬帶寬和512M存儲深度，完全滿(mǎn)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
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(jìn)行優(yōu)化。使用電流探頭ZCP0030和ZDL6000示波記錄儀進(jìn)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
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
在電路的關(guān)鍵節點(diǎn)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?jì)x器設備是電源工程師快速定位問(wèn)題必不可少的工具，通過(guò)科學(xué)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。 |
