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四招搞定开关电源EMI

开关电源作为当下电控系统中的基础、主流的装置,被广泛应用于计算机、通信、电子设备等诸多应用,且由于其不存在替代设备,因此市场规模十分庞大。随着“低碳时代”的到来,电子设备日趋小型化、轻薄化、节能化,开关电源的市场规模也迎来了进一步的增长。

电源市场规模预测

根据Markets and Research发布的数据显示,电源市场

开关电源作为当下电控系统中的基础、主流的装置,被广泛应用于计算机、通信、电子设备等诸多应用,且由于其不存在替代设备,因此市场规模十分庞大。随着“低碳时代”的到来,电子设备日趋小型化、轻薄化、节能化,开关电源的市场规模也迎来了进一步的增长。

电源市场规模预测

根据Markets and Research发布的数据显示,电源市场规模将从2018年的225亿美元增长到2023年的349.2亿美元,2018-2023年的复合年增长率为6.7%。

 

图1:(图源:中商产业研究院)

影响开关电源的因素

众所周知,开关电源是将功率半导体器件作为开关元件并通过周期性通断开关,控制开关元件的占空比来调整输出电压。

但由于开关电源瞬态响应较差,易产生电磁干扰(EMI)信号,而这些EMI信号经过传导和辐射,不仅会污染电磁环境,还会对通信设备和电子仪器造成干扰。更重要的是,随着开关电源的体积越来越小、功率密度越来越大,EMI控制问题愈发成为限制其使用的关键因素。

EMI为何如此重要?

EMI全称为Electro Magnetic lnterference,是一种电子系统或分系统受非预期的电磁扰动造成的性能损害,其产生的条件和传播途径主要由干扰源、耦合途径、敏感设备三个基本要素组成。

何为干扰源?顾名思义就是产生电磁干扰的源头。一般分为内部干扰源和外部干扰源,其中内部干扰源包括开关电路、整流电路的整流二极管、杂散参数,外部干扰源包括电源干扰和雷电干扰。

那干扰源又是如何产生的?以开关电路为例,开关电路是开关电源的,同时也是主要干扰源之一,由开关管和高频变压器组成。

简单地说,由于开关管及其散热片与外壳和电源内部的引线间存在分布电容,其产生的du/dt具有较大幅度的脉冲,频带较宽且谐波丰富。当开关管负载为高频变压器初级线圈时属于感性负载,此时原来导通的开关管关断,高频变压器的漏感产生了反电势E=-Ldi/dt,其值与集电极的电流变化率成正比,与漏感成正比,迭加在关断电压上,形成关断电压尖峰,从而形成传导干扰。当然不止开关电路,上述提到的整流电路的整流二极管、杂散参数等都是导致EMI的重要原因。

EMI问题说大不大,但如果不能及时发现并解决,后期想整改就要额外耗费大量时间和资金成本。特别对于部分中小型企业来说,异常繁琐的EMI整改可能会带来BOM成本等不菲的开销,更甚者会阻碍后期的设计进度。

因此,我们必须提高对EMI问题的重视程度,在设计之初就考虑EMI问题,而这关键之处就在于必须从源头入手解决,本篇文章就教你如何搞定开关电源EMI。

四招搞定开关电源EMI

#01 化布局布线中的电流回路

在开关电源设计中,PCB设计是关键一步,它对电源的性能、EMC要求、可靠性、可生产性都会产生很大影响。

一般来说,EMI线性正比于电流、电流回路面积以及频率的平方即:EMI=K[**]I[**]S[**]F2。I是电流,S是回路面积,F是频率,K是与电路板材料和其他因素有关的一个常数。该关系式表明减小通路面积是减小辐射骚扰的关键,换句话说,就是开关电源的元器件要彼此紧密排列。

因此,在PCB设计过程中,如果使用短而宽的PCB走线,就可以降低压降并极大限度地降低电感;同时通过使用高频开关优化元件布局。而对电源线执行此操作的一种好方法是将电源线和返回路径彼此重叠放置在PCB的相邻层上。

#02 控制器件开关速度

在开关电源设计中为提高功率密度,通常会选择开关频率更高的MOSFET,通过提高开关速度显著减小输出滤波器体积,从而在单位体积内实现更高的功率等级。

但随着开关速度的提高,功率开关管通/断时的du/dt也会随之升高,而这恰恰就是导致EMI的主要原因之一。不仅如此,高du/dt还会对电机绕组的绝缘产生不利影响,加速漆包线、绝缘环等绝缘件的老化,对电机的绝缘设计带来了新的挑战。因此,控制器件开关速度进而减小功率开关管通/断的du/dt也成为了抑制开关电源干扰的一项重要措施。

由此来看,如何选择MOSFET也是关键一步,贸泽电子在售的来自安森美(onsemi)的SuperFET? V MOSFET就是很好的选择。

SuperFET是由Fairchild Semiconductor(2015年已被安森美收购)开发的一项针对RDS(ON)降低而增加额外制造步骤的技术,SuperFET? 器件可在小晶片尺寸,甚至在击穿电压达到600V的情况下,实现理想的低RDS(ON)。换句话说,采用SupeRFET技术的器件封装尺寸能实现大幅减小。

2016年,Fairchild Semiconductor就推出了SuperFET III MOSFET系列。此次推荐的SuperFET? V 是安森美专属的新一代高电压MOSFET,采用先进的电荷平衡机制,实现了出色的低导通电阻和更低门极电荷性能。作为第五代高压超级结(SJ)MOSFET,安森美的这款MOSFET具有出色的品质因数(FOM),不仅提高了重负载效率,还提高了轻负载效率。

据了解,该系列器件有三个产品组,分别是FAST、Easy Drive和FRFET,可在各种不同的应用和拓扑结构中提供优于同类的性能,其中:

FAST

FAST版本在硬开关拓扑结构(如高端PFC)中提供极高能效,并经过优化以提供更低的门极电荷(Qg)和EOSS损耗,实现快速开关。

Easy Drive

Easy Drive版本适用于硬开关和软开关拓扑结构,包含一个内置门极电阻(Rg)及经优化的内置电容。

FRFET

FRFET版本的优势是快速体二极管,并提供降低的Qrr和Trr,适用于软开关拓扑结构,如移相全桥(PSFB)和LLC

以Easy Drive来说,其可以利用电荷平衡技术实现低导通电阻,以及更低门极电荷方面的出色性能。而这项技术专用于极大程度降低导通损耗,提供出色的开关性能,并且可以承受极端dv/dt速率,进而有助于管理EMI问题,实现更轻松的电源设计。

除了SuperFET? V系列外,贸泽电子在售的还有安森美的另一款M3S 1200V SiC MOSFET。该系列MOSFET以碳化硅为材料,优化用于快速开关应用。同时M3S具有低开关损耗,采用TO247-4LD封装,可实现低公共源电感。

该系列在使用18V栅极驱动器驱动时具有极优良的性能,但也适用于15V栅极驱动器,在提高功率密度的同时还能减少EON损失,可以应用于交直流转换、直流-交流转换、DC-DC转换等多个方面。

#03 减少寄生参数影响

在EMI的频率范围内,常用的无源器件都不再被认为是理想的,它们的寄生参数严重影响着其高频特性。

从理论上来讲,寄生参数的提取度是通过仿真有效预测EMI水平的关键。虽然这对于结构简单的元件来说是很容易计算的,但是对于某些结构复杂的元件,例如多层板和直流母线等来说,并不能轻易得到。

因此,在选取元件时需要尽量选取寄生参数影响小的元件,比如电容的ESR和ESL、电感的寄生电容等要尽量小。此外,在设计滤波器的时候,也要考虑到PCB寄生参数对滤波器阻抗的影响,毕竟其本质也是增大对干扰的阻抗,使干扰无法通过传播路径。

#04 对敏感电路进行保护

开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器(EMI)、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成,而辅助电路包括了输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。

常见的电源保护方法包括防浪涌软启动电路;过压、欠压及过热保护电路;缺相保护电路;短路保护。下图就是典型的输入EMI抑制电路。当电网受到雷击时,产生高压经输入线导入开关电源设备时,由FS1、ZNR1、RTH1组成防雷浪涌电路进行保护。

R1、R2、C2、C4、LF1、LF2组成的π型滤波电路,是输入滤波电路,主要是对电网串入的电磁噪声进行抑制,防止对开关电源干扰,同时也抑制开关电源内部产生的高频噪声干扰电网,弱化电网的电磁污染。

由此可见,对敏感电路的保护也是解决EMI问题的不二选择,而这就对器件的保护功能提出了要求。以 Monolithic Power Systems(MPS)的单片电源系统MP44019 CrM/DCM多模式PFC控制器为例,这款控制器使用极少的外部组件提供简化的高性能有源功率因数校正,并且提供非常低的电源电流,可实现低于50mW的低待机功耗

更重要的是,MP44019集多重保护功能于一体,包括过压保护(OVP)、二次过压保护(OVP2)、过流限制(OCL)、过流保护(OCP)、欠压保护(UVP)、 in(BI)和掉电(BO)、VCC欠压锁定(UVLO)和过热保护(OTP)。

该器件通常可应用于AC-DC转换、DC-AC转换以及DC-DC转换等方面,并能在轻负荷下使用死区扩展技术来降低开关频率。此外,其在非连续传导模式(DCM)中,与传统的恒定准时控制(COT)相比,更是采用了可变准时控制来降低总谐波失真(THD)。

EMI问题不可小觑

当前技术日新月异,随着人工智能、医疗、新能源、汽车电子等新型行业的快速发展,开关电源的需求也将呈现快速增长势头。迅猛增势背后是下游企业对开关电源提出的更为苛刻的技术要求。高效率、高功率密度,以及模块及整体系统工作的可靠性及稳定性都将会成为开关电源的关键要素,在此背景下,解决EMI控制问题势在必行,而上述四招技巧就是“制胜法宝”。