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降压稳压器电路中影响EMI的感性容性寄生元素资料下载
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2021-04-04
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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。
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。
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。
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。
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，开关模式电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，当换向电流的转换率超过 5A/ns 时，2nH 寄生电感会导致 10V 的电压过冲。此外，功率回路中的电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 充电相关的前沿振铃），其中富含谐波成分，产生负面影响严重的 H 场耦合，导致传导和辐射 EMI 增加。
表 1：开关转换器噪声源和常规 EMI 频率分类
噪声耦合路径主要有以下三种：通过直流输入线路传导的噪声、来自功率回路和电感的 H 场耦合以及来自开关节点铜表面的 E 场耦合。
转换器开关波形分析建模
如第 2 部分所述，开关节点电压的上升沿和下降沿分别是非隔离式转换器中 CM 噪声和 E 场耦合的主要来源。在EMI 分析中，设计者最关注电源转换器噪声发射的谐波含量上限或“频谱包络”，而非单一谐波分量的幅值。借助简化的开关波形分析模型，我们可以轻松确定时域波形参数对频谱结果的影响。
为了解与开关节点电压相关的谐波频谱包络，图 3 给出了近似的时域波形。每一部分均由其幅值（VIN）、占空比（D）、上升和下降时间（t 和 tF）以及脉宽（t
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