[分享] 如何降低开关电源电路EMI

灞波儿奔 2019-9-22 22:06 楼主

开关电源小型化设计中，提高开关频率可有效提高电源的功率密度。但随着开关频率提升，电路电磁干扰（EMI）问题使电源工程师面临了更大的挑战。本文以反激式开关拓扑为例，从设计角度，讨论如何降低电路EMI。
　　为提高开关电源的功率密度，电源工程师首先想到的办法是选择开关频率更高的MOSFET,通过提高开关速度可以显著地减小输出滤波器体积，从而在单位体积内可实现更高的功率等级。但是随着开关频率的提高，会带来EMI特性的恶化，必须采取有效的措施改善电路的EMI特性
　　开关电源的功率MOSFET安装在印制电路板上，由于印制电路板上MOSFET走线和环路存在杂散电容和寄生电感，开关频率越高，这些杂散电容和寄生电感更加不能够忽略。由于MOSFET上的电压和电流在开关时会快速变化，快速变化的电压和电流与这些杂散电容和寄生电感相互作用，会导致电压和电流出现尖峰，使输出噪声明显增加，影响系统EMI特性。

　　由1-1和1-2式可知，寄生电感和di/dt形成电压尖峰，寄生电容和dv/dt形成电流尖峰。这些快速变化的电流和关联的谐波在其他地方产生耦合的噪声电压，因此影响到开关电源EMI特性。下面以反激式开关拓扑为例，对降低MOSFET的dv/dt和di/dt措施进行介绍。

　　图1 MOSFET噪声源
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　　降低MOSFET的dv/dt

　　图2 MOSFET等效电路
　　我们关注的是MOSFET特性以及影响这些特性的寄生效应：

　　1-3中，Rg和Cgd越大，dv/dt越低。1-4中，Coss越低，dv/dt越高。在MOSFET选型中，MOSFET的Coss、Ciss、Crss参数特性，影响开关尖峰大小。
　　从上述分析中可知，我们可以通过提高MOSFET寄生电容Cgd、Cgs、Cds和增大驱动电阻值Rg来降低dv/dt。

　　图3 降低MOSFET的dv/dt措施
　　可以采取以下有效措施：
　　较高的Cds可以降低dv/dt并降低Vds过冲；但是较高的Cds会影响转换器的效率。可以使用具有较低击穿电压和低导通电阻的MOSFET（这类MOSFET的Cds也较小）。但是如果考虑噪声辐射，则需要使用较大的谐振电容(Cds)。因此提高Cds则需要权衡EMI和效率两者的关系；
　　较高的Cgd实质上增加了MOSFET在米勒平台的持续时间，可以降低dv/dt。但这会导致增加开关损耗，从而降低MOSFET效率并且会提高其温升。提高Cgd，需要驱动电流也会大幅增加，驱动器可能会因瞬间电流过大而烧毁；建议不要轻易添加Cgd；
　　在栅极处添加外部Cgs电容，但很少使用此方法，因为增加栅极电阻Rg相对更简单。效果是相同的。
　　总结
　　图3总结为降低MOSFET的dv/dt措施总结。MOSFET内部寄生参数（Cgd和Cds）较低时，就可能有必要使用外部Cgd和Cds来降低dv/dt。外部电容的范围为几pF到100pF，这为设计人员提供这些寄生电容的固定值进行参考设计。
　　2
　　降低电路中di/dt

　　图4 降低MOSFET的di/dt措施
　　图4，MOSFET驱动阶段中存在的各个di/dt部分产生两种效果：
　　G极、D极、S极处的杂散电感引起的噪声电压；
　　初级大环路的噪声电压。
　　可通过下面措施进行改进：
　　1、增加高频电容减小环路面积
　　我们可以采取措施减小高频电位跳变点的PCB环路面积。增加高频高压直流电容C_IP是减少PCB环路面积和分离高频和低频两个部分回路有效措施。
　　2、合理增加磁珠抑制高频电流
　　为了额外降低di/dt，可以在电路中增加已知的电感，以抑制高频段的电流尖峰和振荡。已知的电感与杂散电感串联，所以总电感值在设计者已知的电感范围内。铁氧体磁珠就是很好的高频电流抑制器，它在预期频率范围内变为电阻，并以热的形式消散噪声能量。