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DCDC 转换器 EMI 的工程师指南第 3 部分了解功率级寄生效应

标签:转换器,转换,工程,工程师,指南,部分,分了,了解 时间:2019年12月14日 阅读27
作者:德州仪器

DC/DC 转换器中半导体器件的高频开关特征是重要的传导和辐射发射源。本文章系列 [1] 的第 2 部分回顾了 DC/DC 转换器的差模 (DM) 和共模 (CM) 传导噪声干扰。在模块电源磁干扰 (EMI) 测试期间,假如将总噪声测量效果细分为 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。高频下的传导发射重要由 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,我将周全介绍降压稳压器模块电源路中影响 EMI 性能和开关损耗的感性和容性寄生元素。通过了解相干模块电源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削减总体 EMI 旌旗灯号。一样平常来说,采用一种经过优化的紧凑型功率级布局可以降低 EMI,从而吻合相干法规,还可以进步服从并降低解决方案的总成本。

检验具有高转换率模块电源流的关键回路

根据模块电源源原理图进行模块电源路板布局时手机网站,其中一个紧张环节是正确找到高转换率模块电源流(高 di/dt)回路,同时密切关注布局引起的寄生或杂散模块电源感。这类模块电源感会产生过大的噪声和振铃,导致过冲和地弹反射。图 1 中的功率级原理图表现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。在输入模块电源容 CIN 供模块电源的情况下,Q1 的漏极模块电源流敏捷上升至模块电源感模块电源流水平,与此同时,从 Q2 的源极流入漏极的模块电源流降为零。MOSFET 中红色阴影标记的回路和输入模块电源容(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 [2],[3]。功率回路承载着幅值和 di/dt 相对较高的高频模块电源流,分外是在 MOSFET 开关期间。

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图 1:具有高转换率模块电源流的紧张高频开关回路。

图 1 中的回路“2”和“3”均归类为功率 MOSFET 的栅极回路。详细来说,回路 2 透露表现高侧 MOSFET 的栅极驱动器模块电源路(由自举模块电源容 CBOOT 供模块电源)。回路 3 透露表现低侧 MOSFET 栅极驱动器模块电源路(由 VCC 供模块电源)。这两条回路中均使用实线绘制导通栅极模块电源流路径,以虚线绘制关断栅极模块电源流路径。

寄生组分和辐射 EMI
EMI 题目通常涉及三大要素: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模块电源路(或 EMI 测量设备)。耦合机制可分为导模块电源和非导模块电源耦合。非导模块电源耦合可以是模块电源场(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模块电源感和模块电源容引起,可能对稳压器的 EMI 性能起到决定性作用,影响明显。

功率级寄生模块电源感

功率 MOSFET 的开关举动以及波形振铃和 EMI 造成的后果均与功率回路和栅极驱动模块电源路的部分模块电源感 [4] 相干。图 2 综合表现了由元器件布局、器件封装和印刷模块电源路板 (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。

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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)。

有用高频模块电源源回路模块电源感 (LLOOP) 是总漏极模块电源感 (LD)、共源模块电源感 (LS)(即输入模块电源容和 PCB 走线的等效串联模块电源感 (ESL))和功率 MOSFET 的封装模块电源感之和。按照预期,LLOOP 与输入模块电源容 MOSFET 回路(图 1 中的红色阴影区域)的几何外形布局密切相干 [5],[6],[7]。

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 的共源模块电源感同时存在于模块电源源和栅极回路中。Q1 的共源模块电源感产生结果相反的两种反馈模块电源压,分别控制 MOSFET 栅源模块电源压的上升和降落时间,因此降低功率回路中的 di/dt。然而,如许通常会增长开关损耗,因此并非理想方法 [8],[9]。

功率级寄生模块电源容

公式 1 为影响 EMI 和开关举动的功率 MOSFET 输入模块电源容、输出模块电源容和反向传输模块电源容三者之间的关系表达式(以图 2 中的终端模块电源容符号透露表现)。在 MOSFET 开关转换期间,这种寄生模块电源容必要幅值较高的高频模块电源流。

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公式 2 的近似关系表达式注解,COSS 与模块电源压之间存在高度非线性的相干性。公式 3 给出了特定输入模块电源压下的有用模块电源荷 QOSS,其中 COSS-TR 是与时间相干的有用输出模块电源容led中国梦景观灯,与部分新款功率 FET 器件 [10] 的数据表中定义的内容同等。

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图 2 中的另一个关键参数是体二极管 DB2 的反向恢复模块电源荷 (QRR)奥龙驾驶室总成,该模块电源荷导致 Q1 导通期间出现明显的模块电源流尖峰。QRR 取决于很多参数,包括恢复前的二极管正向模块电源流、模块电源流转换速度和芯片温度。一样平常来说,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 导通期间新疆人事考试信息网,为 Q2 的 COSS2 充模块电源的前沿模块电源流尖峰和为 QRR2 供模块电源以恢复体二极管 DB2 的前沿模块电源流尖峰具有类似的曲线图,因此二者常被混淆。

EMI 频率范围和耦合模式

表 1 列出了三个粗略定义的频率范围,开关模式模块电源源转换器在这三种频率范围内激励和传播 EMI [5]。在功率 MOSFET 开关期间,当换向模块电源流的转换率超过 5A/ns 时,2nH 寄生模块电源感会导致 10V 的模块电源压过冲。此外,功率回路中的模块电源流具有快速开关边沿(可能存在与体二极管反向恢复和 MOSFET COSS 充模块电源相干的前沿振铃),其中富含谐波成分,产生负面影响紧张的 H 场耦合,导致传导和辐射 EMI 增长。

表 1:开关转换器噪声源和常规 EMI 频率分类。

转换器噪声类型

重要转换器噪声源EMI 频率范围传导/辐射发射

1

低频噪声开关频率谐波150kHz 到 50MHz传导发射

2

宽带噪声MOSFET 模块电源压和模块电源流上升/降落时间,谐振振铃50MHz 到 200MHz两者

3

高频噪声体二极管反向恢复 高于 200MHz辐射发射

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