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降压稳压器电路中影响EMI的感性容性的寄生元素

检验具有高转换率电流的关键回路
寄生组分和辐射EMI
功率级寄生电容EMI频率范围和耦合模式

回帖(7)

杨雪

2021-2-24 16:51:01
  DC/DC转换器中半导体器件的高频开关特性是主要的传导和辐射发射源。本文章系列的回顾了DC/DC 转换器的差模(DM)和共模(CM)传导噪声干扰。在电磁干扰(EMI)测试期间,如果将总噪声测量结果细分为DM 和CM噪声分量,可以确定DM和CM两种噪声各自所占的比例,从而简化 EMI 滤波器的设计流程。高频下的传导发射主要由 CM 噪声产生,该噪声的传导回路面积较大,进一步推动辐射发射的产生。
  在第3部分中,我将全面介绍降压稳压器电路中影响 EMI 性能和开关损耗的感性和容性寄生元素。通过了解相关电路寄生效应的影响程度,可以采取适当的措施将影响降至最低并减少总体 EMI 信号。一般来说,采用一种经过优化的紧凑型功率级布局可以降低 EMI,从而符合相关法规,还可以提高效率并降低解决方案的总成本。
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张丽娟

2021-2-24 16:51:15
  检验具有高转换率电流的关键回路
  根据电源原理图进行电路板布局时,其中一个重要环节是准确找到高转换率电流(高 di/dt)回路,同时密切关注布局引起的寄生或杂散电感。这类电感会产生过大的噪声和振铃,导致过冲和地弹反射。图 1 中的功率级原理图显示了一个驱动高侧和低侧 MOSFET(分别为 Q1 和 Q2)的同步降压控制器。
  以 Q1 的导通转换为例。在输入电容 CIN 供电的情况下,Q1 的漏极电流迅速上升至电感电流水平,与此同时,从 Q2 的源极流入漏极的电流降为零。MOSFET 中红色阴影标记的回路和输入电容(图 1 中标记为“1”)是降压稳压器的高频换向功率回路或“热”回路 。功率回路承载着幅值和 di/dt 相对较高的高频电流,特别是在 MOSFET 开关期间。
  
  图 1:具有高转换率电流的重要高频开关回路 图1中的回路“2”和“3”均归类为功率 MOSFET 的栅极回路。具体来说,回路 2 表示高侧 MOSFET 的栅极驱动器电路(由自举电容 CBOOT 供电)。回路 3 表示低侧 MOSFET 栅极驱动器电路(由 VCC 供电)。这两条回路中均使用实线绘制导通栅极电流路径,以虚线绘制关断栅极电流路径。
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王雷

2021-2-24 16:52:04
  寄生组分和辐射 EMI
  EMI 问题通常涉及三大要素:干扰源、受干扰者和耦合机制。干扰源是指 dv/dt 和/或 di/dt 较高的噪声发生器,受干扰者指易受影响的电路(或 EMI 测量设备)。耦合机制可分为导电和非导电耦合。非导电耦合可以是电场(E 场)耦合、磁场(H 场)耦合或两者的组合 - 称为远场 EM 辐射。近场耦合通常由寄生电感和电容引起,可能对稳压器的 EMI 性能起到决定性作用,影响显著。
  功率级寄生电感
  功率MOSFET 的开关行为以及波形振铃和 EMI 造成的后果均与功率回路和栅极驱动电路的部分电感相关。图 2 综合显示了由元器件布局、器件封装和印刷电路板(PCB)布局产生的寄生元素,这些寄生元素会影响同步降压稳压器的 EMI 性能。
  
  图 2:降压功率级和栅极驱动器的“剖析原理图”(包含感性和容性寄生元素) 有效高频电源回路电感(LLOOP)是总漏极电感(LD)、共源电感(LS)(即输入电容和 PCB 走线的等效串联电感(ESL))和功率 MOSFET 的封装电感之和。按照预期,LLOOP 与输入电容 MOSFET 回路(图 1 中的红色阴影区域)的几何形状布局密切相关。
  与此同时,栅极回路的自感 LG 由 MOSFET 封装和 PCB 走线共同产生。从图 2 中可以看出,高侧 MOSFET Q1 的共源电感同时存在于电源和栅极回路中。Q1 的共源电感产生效果相反的两种反馈电压,分别控制 MOSFET 栅源电压的上升和下降时间,因此降低功率回路中的 di/dt。然而,这样通常会增加开关损耗,因此并非理想方法。
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陈晨

2021-2-24 16:52:15
  功率级寄生电容
  公式 1 为影响 EMI 和开关行为的功率 MOSFET 输入电容、输出电容和反向传输电容三者之间的关系表达式(以图 2 中的终端电容符号表示)。在 MOSFET 开关转换期间,这种寄生电容需要幅值较高的高频电流。
  
  公式 2 的近似关系表达式表明,COSS 与电压之间存在高度非线性的相关性。公式3给出了特定输入电压下的有效电荷 QOSS,其中 COSS-TR 是与时间相关的有效输出电容,与部分新款功率 FET 器件的数据表中定义的内容一致。
  
  图2中的另一个关键参数是体二极管 DB2 的反向恢复电荷(QRR),该电荷导致 Q1 导通期间出现显著的电流尖峰。QRR取决于许多参数,包括恢复前的二极管正向电流、电流转换速度和芯片温度。一般来说,MOSFET QOSS 和体二极管 MOSFET QOSS 会为分析和测量过程带来诸多难题。在 Q1导通期间,为Q2的 COSS2 充电的前沿电流尖峰和为 QRR2 供电以恢复体二极管 DB2前沿电流尖峰具有类似的曲线图,因此二者常被混淆。
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