如何改善开关电源电路的EMI特性？

2019-06-27 14:49

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

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。

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。

推荐测试方案

正确使用和选择测量仪器和测量方法有助快速定位问题根源。调试时采用PWR2000W变频电源提供输入电压，在被测试电路出现异常时可以及时保护电路。普通测试探头容易引入额外寄生电感，造成噪声在普通探头中形成反射，引起振荡，会给测量引入不确定因素。采用我司推出的ZP1500D高压差分探头，其输入阻抗高达10MΩ，CMRR可达80dB以上，适合直接对MOSFET测量。ZDS4000系列示波器为数据挖掘型示波器，具有500M模拟带宽和512M存储深度，完全满足深度噪声测量需求。图5为推荐参考测试方案框图。