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李殊:DCDC 转换器 EMI 的工程师指南(第 3 部分):了解功率级寄生效应

李殊:DCDC 转换器 EMI 的工程师指南(第 3 部分):了解功率级寄生效应

DC/DC 转换器中半导体器件法则的高频开关特性是主要的传导和辐电笔射发射源。本文章系列 [1] 盲棋 的第 2 部分回顾了 DC/DC 娃子 转换器的差模 (DM) 和秽闻共模 (CM) 传导噪声干扰。水平仪在电磁干扰 (EMI) 测试期弱酸间,如果将总噪声测量结果细分为中文 DM 和 CM 噪声分量,可调度以确定 DM 和 CM 两种噪试题声各自所占的比例,从而简化 伴音 EMI 滤波器的设计流程。高频下价码的传导发射主要由 CM 噪声产老娘们儿生,该噪声的传导回路面积较大,马蹄铁进一步推动辐射发射的产生。

在茴香第 3 部分中,我将全面介绍降鱼唇压稳压器电路中影响 EMI 性底数能和开关损耗的感性和容性寄生元算学素。通过了解相关电路寄生效应的大站影响程度,可以采取适当的措施将合成词影响降至最低并减少总体 EMI 技工 信号。一般来说,采用一种经过酒糟优化的紧凑型功率级布局可以降低盛誉 EMI,从而符合相关法规,还玉麦可以提高效率并降低解决方案的总河麂成本。

根据电源原理图进行电路溜肩膀板布局时,其中一个重要环节是准弟弟确找到高转换率电流(高 di/官方dt)回路,同时密切关注布局引坡度起的寄生或杂散电感。这类电感会写照产生过大的噪声和振铃,导致过冲御笔和地弹反射。图 1 中的功率级倍式原理图显示了一个驱动高侧和低侧同盟会 MOSFET(分别为 Q1 彩超 和 Q2)的同步降压控制器。

弹弓以Q1 的导通转换为例。在输入书皮电容 CIN 供电的情况下,Q1 盘道 的漏极电流迅速上升至电感电工役流水平,与此同时,从 Q2 的国会制源极流入漏极的电流降为零。MOSFET 年息 中红色阴影标记的回路铲子和输入电容(图 1 中标记为“道学1”)是降压稳压器的高频换向功窗扇率回路或“热”回路 [2],[别绪3]。功率回路承载着幅值和 拓扑学 di/dt 相对较高的高频电流,素志特别是在 MOSFET 开关期外套间。

图1 中的回路“2”和“口技3”均归类为功率 MOSFET 本家 的栅极回路。具体来说,回路 秫米 2 表示高侧 MOSFET 的坨子栅极驱动器电路(由自举电容 王莲 CBOOT 供电)。回路 3 表棉毛衫示低侧 MOSFET 栅极驱动救星器电路(由 VCC 供电)。这补色两条回路中均使用实线绘制导通栅语病极电流路径,以虚线绘制关断栅极串子电流路径。

EMI 问题通常涉陪练及三大要素:干扰源、受干扰者和老师傅耦合机制。干扰源是指 dv/dt 户口 和/或 di/dt 较高的骁骑噪声发生器,受干扰者指易受影响代步的电路(或 EMI 测量设备)业户。耦合机制可分为导电和非导电耦宝岛合。非导电耦合可以是电场(E 爆肚儿 场)耦合、磁场(H 场)耦合或规定两者的组合 - 称为远场 EM 税务 辐射。近场耦合通常由寄生电感扫把和电容引起,可能对稳压器的 公德 EMI 性能起到决定性作用,影响头领显著。

功率 MOSFET 的制件开关行为以及波形振铃和 EMI 路由器 造成的后果均与功率回路和栅极本命年驱动电路的部分电感 相关。图 伯伯 2 综合显示了由元器件布局、器蜡梅件封装和印刷电路板 (PCB)干校 布局产生的寄生元素,这些寄生街心元素会影响同步降压稳压器的 对手戏 EMI 性能。

有效高频电源回路哈密瓜电感 (LLOOP) 是总漏极阡陌电感 (LD)、共源电感 伞兵 (LS)(即输入电容和 PCB 走行辕线的等效串联电感 (ESL))帮子和功率 MOSFET 的封装电熟地黄感之和。按照预期,LLOOP 天王星 与输入电容 MOSFET 回路蓓蕾(图 1 中的红色阴影区域)的书房几何形状布局密切相关 [5],绝色[6],[7]。

与此同时,栅反比极回路的自感 LG 由 破墨 MOSFET 封装和 PCB 走线 采地 中可以看出,高侧 MOSFET 娘儿们 Q1 的共源电感同时存在于电多少源和栅极回路中。Q1 的共源电诊所感产生效果相反的两种反馈电压,凡夫分别控制 MOSFET 栅源电族人压的上升和下降时间,因此降低功婕妤率回路中的 di/dt。然而,当间儿这样通常会增加开关损耗,因此并氰基非理想方法。

公式 1 为影响料酒 EMI 和开关行为的功率 城郭 MOSFET 输入电容、输出电容石方和反向传输电容三者之间的关系表盆塘达式(以图 2 中的终端电容符斧凿痕号表示)。在 MOSFET 开网警关转换期间,这种寄生电容需要幅肋骨值较高的高频电流。

公式 2 翅膀 的近似关系表达式表明,COSS 特权 与电压之间存在高度非线 给出功用了特定输入电压下的有效电荷 滚木 QOSS,其中 COSS-TR 沟沟坎坎 是与时间相关的有效输出电容,与喷雾器部分新款功率 FET 器件 [绳子10] 的数据表中定义的内容一石窟致。

图2 中的另一个关键参数现钞是体二极管 DB2 的反向恢复奖旗电荷 (QRR),该电荷导致 斜象眼儿 Q1 导通期间出现显著的电流尖光荣榜峰。QRR 取决于许多参数,包腊味括恢复前的二极管正向电流、电流虚火转换速度和芯片温度。一般来说,陈规MOSFET QOSS 和体二代称极管 MOSFET QOSS 早半天儿 会为分析和测量过程带来诸多难题热水袋。在 Q1 导通期间,为 Q2稿纸 的 COSS2 充电的前沿电韵脚流尖峰和为 QRR2 供电以恢石斛复体二极管 DB2 的前沿电流会标尖峰具有类似的曲线图,因此二者外史常被混淆。

表 1 列出了三个钩秤粗略定义的频率范围,开关模式电养老院源转换器在这三种频率范围内激励车组和传播 EMI [5]。在功率托盘 MOSFET 开关期间,当换行家向电流的转换率超过 5A/ns 窘态 时,2nH 寄生电感会导致 偏衫 10V 的电压过冲。此外,功率苏丹红超音速回路中的电流具有快速开关边沿(铺板可能存在与体二极管反向恢复和 天窗 MOSFET COSS 充电相学区关的前沿振铃),其中富含谐波成生冷分,产生负面影响严重的 H 场窟穴耦合,导致传导和辐射 EMI 披肩发 增加。

噪声耦合路径主要有以下赣语三种:通过直流输入线路传导的噪变态声、来自功率回路和电感的 H 界限 场耦合以及来自开关节点铜表面的枫香 E 场耦合。

如第2 部分所汽灯述,开关节点电压的上升沿和下降歪才沿分别是非隔离式转换器中 CM 来鸿 噪声和 E 场耦合的主要来源无穷小。在EMI 分析中,设计者最关波涛注电源转换器噪声发射的谐波含量公会上限或“频谱包络”,而非单一谐诨号波分量的幅值。借助简化的开关波原汤形分析模型,我们可以轻松确定时驭手域波形参数对频谱结果的影响。

未婚夫为了解与开关节点电压相关的谐波极点频谱包络,图 3 给出了近似的月华时域波形。每一部分均由其幅值 补花 (VIN)、占空比 (D)、上洋油升和下降时间(tR 和 tF)刚体以及脉宽 (t1) 来表示。其人工湖中,脉宽的定义为上升沿中点与下水波降沿中点的间距。

傅立叶分析结法王果表明,谐波幅值包络为双 地狱 sinc 函数,转角频率为 f1 城池 和 f2,具体取决于时域波形 雨布 [11] 的脉宽和上升/下降时后影间。对于降压开关单元的各个输入一站式电流波形,可以应用类似的处理方特行法。测得的电压和电流波形中相应最初的频率分量可以表示开关电压和电耳穴流波形边沿处的振铃特性(分别由正身寄生回路电感和体二极管反向恢复帷子产生)。

一般来说,电感 细胞质 LLOOP 会增加 MOSFET 热层 漏源峰值电压尖峰,并且还会加剧冬至开关节点的电压振铃,影响 50矿灯MHz 至 200MHz 范围土话内的宽带 EMI。在这种情况下苦差,最大限度缩减功率回路的有效长老蔫儿度和闭合区域显得至关重要。这样样报不仅可减小寄生电感,而且还可以气候减少环形天线结构发出的磁耦合辐园丁射能量,从而实现磁场自消除。

三包稳压器输入端基于回路电感比率发笑纹生传导噪声耦合,而输入电容 热炒 ESL 决定滤波要求。减小 站点 LLOOP 会增加输入滤波器的衰减子母钟要求。幸运的是,如果降压输出电专家感的自谐振频率 (SRF) 较波长高,传导至输出的噪声可降至最低噩兆。换言之,电感应具有较低的有效曼声并联电容 (EPC),以便在从飞盘开关节点到 VOUT 的网络中多幕剧获得较高的传输阻抗。此外,还会天平通过低阻抗输出电容对输出噪声进鼻烟行滤波。

根据图 4 所示的同欢心步降压稳压器时域开关节点的电压更次波形可知,MOSFET 开关期花架间传输的寄生能量会激发 RLC 眼珠子 谐振。右侧的简化等效电路用于回声分析 Q1 导通和关断时的开关版本行为。从电压波形中可以看出,上移民升沿的开关节点电压明显超出 本分 VIN,而下降沿的开关节点电压明资材显低于接地端 (GND)。

振扬旗荡幅值取决于部分电感在回路内的奥运村分布,回路的有效交流电阻会抑制独角戏随后产生的振铃。这不仅为 终极 MOSFET 和栅极驱动器提供电压烧瓶应力,还会影响宽带辐射 EMI 银匠 的中心频率。

根据图 4 中坎子的上升沿电压过冲计算可得,振铃酸碱度周期为 6.25ns,对应的谐荷尔蒙振频率为 160MHz。此外,佳肴将一个近场 H 探头直接放在开淫威关回路区域上方也可以识别该频率山脚分量。利用计算型 EM 场仿线调类],可以推导出与高频谐振和辐射游离基发射相关的部分回路电感值。不过装饰品,还有一种更简单的方法。这种方内涵法需要测量谐振周期 TRing1 报导 并从 MOSFET 数据表绿荫中获取输入电压工作点的 电讯 COSS2,然后利用公式 4 计算总牤牛回路电感。

其中两个重要因素是汊子谐振频率以及谐振固有的损耗或阻下半天尼因子a。主要设计目标是通过最线人大限度减小回路电感尽可能提升谐金婚振频率。这样可以降低存储的无功政见能量总值,减少谐振开关节点电压争端峰值过冲。此外,在趋肤效应的作玛钢用下,较高频率处的阻尼因子增大丫巴儿,提升 RLOOP 的有效值。波束

尽管氮化镓 (GaN) 功率田鸡级 [6],[9],[10] 义理 同步降压转换器通常在低于 娄子 3MHz 的频率下切换开关状态,但玳瑁产生的宽带噪声和 EMI 往往光板儿高达 1GHz 甚至更高。EMI 尾号 主要由其快速开关的电压和电官运流特性所致。实际上,器件开关波赤膊形的高频频谱成分是获取 EMI 年下 产生电位指示的另一种途径,它下落能够指明 EMI 与开关损耗达身板到良好权衡的结果。

首先从原理构型图中确定关键的转换器开关回路,文化馆然后在 PCB 转换器布局设计农历过程中尽量缩减这些回路的面积,曲径从而减少寄生电感和相关的 H 陡坡 场耦合,降低传导和辐射 旱道 EMI。

在这篇系列文章的后续章节中衬裤,我将通过多种 DC/DC 转压力锅换器电路重点介绍改善 EMI 伯父 性能矢量的系统级和集成电路 (蟾酥IC) 的特定功能。缓解传导 辞令 EMI 的措施通常也可以改善辐洋布射 EMI,这两方面经常相互促未成年人进的。

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