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如何改善开关电源电路的EMI特性?

    作者:宏拓新软件
    发布日期:2019-07-08         
阅读:54     
 
 

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。

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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。

 

图5 MOSFET噪声测试方案

 

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