學(xué)會這4招,輕松搞定開關(guān)電源EMI
開關(guān)電源作為當下電控系統(tǒng)中的基礎(chǔ)、主流的裝置,被廣泛應(yīng)用于計算機、通信、電子設(shè)備等諸多應(yīng)用,且由于其不存在替代設(shè)備,因此市場規(guī)模十分龐大。隨著“低碳時代”的到來,電子設(shè)備日趨小型化、輕薄化、節(jié)能化,開關(guān)電源的市場規(guī)模也迎來了進一步的增長。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202206/435021.htm全球電源市場規(guī)模預(yù)測
根據(jù)Markets and Research發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,全球電源市場規(guī)模將從2018年的225億美元增長到2023年的349.2億美元,2018-2023年的復(fù)合年增長率為6.7%。
圖1(圖源:中商產(chǎn)業(yè)研究院)
影響開關(guān)電源的因素
眾所周知,開關(guān)電源是將功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件并通過周期性通斷開關(guān),控制開關(guān)元件的占空比來調(diào)整輸出電壓。
但由于開關(guān)電源瞬態(tài)響應(yīng)較差,易產(chǎn)生電磁干擾(EMI)信號,而這些EMI信號經(jīng)過傳導(dǎo)和輻射,不僅會污染電磁環(huán)境,還會對通信設(shè)備和電子儀器造成干擾。更重要的是,隨著開關(guān)電源的體積越來越小、功率密度越來越大,EMI控制問題愈發(fā)成為限制其使用的關(guān)鍵因素。
EMI為何如此重要?
EMI全稱為Electro Magnetic lnterference,是一種電子系統(tǒng)或分系統(tǒng)受非預(yù)期的電磁擾動造成的性能損害,其產(chǎn)生的條件和傳播途徑主要由干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備三個基本要素組成。
何為干擾源?顧名思義就是產(chǎn)生電磁干擾的源頭。一般分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源,其中內(nèi)部干擾源包括開關(guān)電路、整流電路的整流二極管、雜散參數(shù),外部干擾源包括電源干擾和雷電干擾。
那干擾源又是如何產(chǎn)生的?以開關(guān)電路為例,開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心,同時也是主要干擾源之一,由開關(guān)管和高頻變壓器組成。
簡單地說,由于開關(guān)管及其散熱片與外殼和電源內(nèi)部的引線間存在分布電容,其產(chǎn)生的du/dt具有較大幅度的脈沖,頻帶較寬且諧波豐富。當開關(guān)管負載為高頻變壓器初級線圈時屬于感性負載,此時原來導(dǎo)通的開關(guān)管關(guān)斷,高頻變壓器的漏感產(chǎn)生了反電勢E=-Ldi/dt,其值與集電極的電流變化率成正比,與漏感成正比,迭加在關(guān)斷電壓上,形成關(guān)斷電壓尖峰,從而形成傳導(dǎo)干擾。當然不止開關(guān)電路,上述提到的整流電路的整流二極管、雜散參數(shù)等都是導(dǎo)致EMI的重要原因。
EMI問題說大不大,但如果不能及時發(fā)現(xiàn)并解決,后期想整改就要額外耗費大量時間和資金成本。特別對于部分中小型企業(yè)來說,異常繁瑣的EMI整改可能會帶來BOM成本等不菲的開銷,更甚者會阻礙后期的設(shè)計進度。
因此,我們必須提高對EMI問題的重視程度,在設(shè)計之初就考慮EMI問題,而這關(guān)鍵之處就在于必須從源頭入手解決,本篇文章就教你如何搞定開關(guān)電源EMI。
四招搞定開關(guān)電源EMI
#01 優(yōu)化布局布線中的電流回路
在開關(guān)電源設(shè)計中,PCB設(shè)計是關(guān)鍵一步,它對電源的性能、EMC要求、可靠性、可生產(chǎn)性都會產(chǎn)生很大影響。
一般來說,EMI線性正比于電流、電流回路面積以及頻率的平方即:EMI=K*I*S*F2。I是電流,S是回路面積,F(xiàn)是頻率,K是與電路板材料和其他因素有關(guān)的一個常數(shù)。該關(guān)系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關(guān)鍵,換句話說,就是開關(guān)電源的元器件要彼此緊密排列。
因此,在PCB設(shè)計過程中,如果使用短而寬的PCB走線,就可以降低壓降并極大限度地降低電感;同時通過使用高頻開關(guān)優(yōu)化元件布局。而對電源線執(zhí)行此操作的一種好方法是將電源線和返回路徑彼此重疊放置在PCB的相鄰層上。
#02 控制器件開關(guān)速度
在開關(guān)電源設(shè)計中為提高功率密度,通常會選擇開關(guān)頻率更高的MOSFET,通過提高開關(guān)速度顯著減小輸出濾波器體積,從而在單位體積內(nèi)實現(xiàn)更高的功率等級。
但隨著開關(guān)速度的提高,功率開關(guān)管通/斷時的du/dt也會隨之升高,而這恰恰就是導(dǎo)致EMI的主要原因之一。不僅如此,高du/dt還會對電機繞組的絕緣產(chǎn)生不利影響,加速漆包線、絕緣環(huán)等絕緣件的老化,對電機的絕緣設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。因此,控制器件開關(guān)速度進而減小功率開關(guān)管通/斷的du/dt也成為了抑制開關(guān)電源干擾的一項重要措施。
圖2:MOSFET等效電路
(圖源:Mouser)
由此來看,如何選擇MOSFET也是關(guān)鍵一步,貿(mào)澤電子在售的來自安森美(onsemi)的SuperFET? V MOSFET就是很好的選擇。
SuperFET是由Fairchild Semiconductor(2015年已被安森美收購)開發(fā)的一項針對RDS(ON)降低而增加額外制造步驟的技術(shù),SuperFET 器件可在小晶片尺寸,甚至在擊穿電壓達到600V的情況下,實現(xiàn)理想的低RDS(ON)。換句話說,采用SupeRFET技術(shù)的器件封裝尺寸能實現(xiàn)大幅減小。
2016年,F(xiàn)airchild Semiconductor就推出了SuperFET III MOSFET系列。此次推薦的SuperFET V 是安森美專屬的新一代高電壓MOSFET,采用先進的電荷平衡機制,實現(xiàn)了出色的低導(dǎo)通電阻和更低門極電荷性能。作為第五代高壓超級結(jié)(SJ)MOSFET,安森美的這款MOSFET具有出色的品質(zhì)因數(shù)(FOM),不僅提高了重負載效率,還提高了輕負載效率。
圖3:onsemi SuperFET V MOSFET
(圖源:Mouser)
據(jù)了解,該系列器件有三個產(chǎn)品組,分別是FAST、Easy Drive和FRFET,可在各種不同的應(yīng)用和拓撲結(jié)構(gòu)中提供優(yōu)于同類的性能,其中:
FAST
FAST版本在硬開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)(如高端PFC)中提供極高能效,并經(jīng)過優(yōu)化以提供更低的門極電荷(Qg)和EOSS損耗,實現(xiàn)快速開關(guān)。
Easy Drive
Easy Drive版本適用于硬開關(guān)和軟開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu),包含一個內(nèi)置門極電阻(Rg)及經(jīng)優(yōu)化的內(nèi)置電容。
FRFET
FRFET版本的優(yōu)勢是快速體二極管,并提供降低的Qrr和Trr,適用于軟開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu),如移相全橋(PSFB)和LLC。
以Easy Drive來說,其可以利用電荷平衡技術(shù)實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻,以及更低門極電荷方面的出色性能。而這項技術(shù)專用于極大程度降低導(dǎo)通損耗,提供出色的開關(guān)性能,并且可以承受極端dv/dt速率,進而有助于管理EMI問題,實現(xiàn)更輕松的電源設(shè)計。
除了SuperFET V系列外,貿(mào)澤電子在售的還有安森美的另一款名叫M3S 1200V SiC MOSFET。該系列MOSFET以碳化硅為材料,優(yōu)化用于快速開關(guān)應(yīng)用。同時M3S具有低開關(guān)損耗,采用TO247-4LD封裝,可實現(xiàn)低公共源電感。
圖4:M3S 1200V SiC MOSFET
(圖源:Mouser)
該系列在使用18V柵極驅(qū)動器驅(qū)動時具有極優(yōu)良的性能,但也適用于15V柵極驅(qū)動器,在提高功率密度的同時還能減少EON損失,可以應(yīng)用于交直流轉(zhuǎn)換、直流-交流轉(zhuǎn)換、DC-DC轉(zhuǎn)換等多個方面。
#03 減少寄生參數(shù)影響
在EMI的頻率范圍內(nèi),常用的無源器件都不再被認為是理想的,它們的寄生參數(shù)嚴重影響著其高頻特性。
從理論上來講,寄生參數(shù)的提取精確度是通過仿真有效預(yù)測EMI水平的關(guān)鍵。雖然這對于結(jié)構(gòu)簡單的元件來說是很容易計算的,但是對于某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的元件,例如多層板和直流母線等來說,并不能輕易得到。
因此,在選取元件時需要盡量選取寄生參數(shù)影響小的元件,比如電容的ESR和ESL、電感的寄生電容等要盡量小。此外,在設(shè)計濾波器的時候,也要考慮到PCB寄生參數(shù)對濾波器阻抗的影響,畢竟其本質(zhì)也是增大對干擾的阻抗,使干擾無法通過傳播路徑。
#04 對敏感電路進行保護
開關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器(EMI)、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成,而輔助電路包括了輸入過欠壓保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。
常見的電源保護方法包括防浪涌軟啟動電路;過壓、欠壓及過熱保護電路;缺相保護電路;短路保護。下圖就是典型的輸入EMI抑制電路。當電網(wǎng)受到雷擊時,產(chǎn)生高壓經(jīng)輸入線導(dǎo)入開關(guān)電源設(shè)備時,由FS1、ZNR1、RTH1組成防雷浪涌電路進行保護。
圖5:輸入EMI濾波電路圖
(圖源:Mouser)
R1、R2、C2、C4、LF1、LF2組成的π型濾波電路,是輸入濾波電路,主要是對電網(wǎng)串入的電磁噪聲進行抑制,防止對開關(guān)電源干擾,同時也抑制開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的高頻噪聲干擾電網(wǎng),弱化電網(wǎng)的電磁污染。
由此可見,對敏感電路的保護也是解決EMI問題的不二選擇,而這就對器件的保護功能提出了要求。以Monolithic Power Systems(MPS)的單片電源系統(tǒng)MP44019 CrM/DCM多模式PFC控制器為例,這款控制器使用極少的外部組件提供簡化的高性能有源功率因數(shù)校正,并且提供非常低的電源電流,可實現(xiàn)低于50mW的低待機功耗。
圖6:MP44019 CrM/DCM多模式PFC控制器
(圖源:MPS官網(wǎng))
更重要的是,MP44019集多重保護功能于一體,包括過壓保護(OVP)、二次過壓保護(OVP2)、過流限制(OCL)、過流保護(OCP)、欠壓保護(UVP)、 in(BI)和掉電(BO)、VCC欠壓鎖定(UVLO)和過熱保護(OTP)。
該器件通??蓱?yīng)用于AC-DC轉(zhuǎn)換、DC-AC轉(zhuǎn)換以及DC-DC轉(zhuǎn)換等方面,并能在輕負荷下使用死區(qū)擴展技術(shù)來降低開關(guān)頻率。此外,其在非連續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)中,與傳統(tǒng)的恒定準時控制(COT)相比,更是采用了可變準時控制來降低總諧波失真(THD)。
圖7:MP44019控制器典型應(yīng)用電路圖
(圖源:Mouser)
EMI問題不可小覷
當前技術(shù)日新月異,隨著人工智能、醫(yī)療、新能源、汽車電子等新型行業(yè)的快速發(fā)展,開關(guān)電源的需求也將呈現(xiàn)快速增長勢頭。迅猛增勢背后是下游企業(yè)對開關(guān)電源提出的更為苛刻的技術(shù)要求。高效率、高功率密度,以及模塊及整體系統(tǒng)工作的可靠性及穩(wěn)定性都將會成為開關(guān)電源的關(guān)鍵要素,在此背景下,解決EMI控制問題勢在必行,而上述四招技巧就是“制勝法寶”。
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