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采用離散FET設(shè)計(jì)的EMI抑制技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2021-04-09 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本系列文章的第 1 部分至第 5 部分中,介紹了抑制傳導(dǎo)和輻射電磁干擾 (EMI) 的實(shí)用指南和示例,尤其是針對采用單片集成功率 MOSFET 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹。在此基礎(chǔ)上,本文繼續(xù)探討使用控制器驅(qū)動分立式高、低側(cè)功率 MOSFET 對的 DC/DC 穩(wěn)壓器電路適用的 EMI 的抑制技術(shù)。使用控制器(例如圖 1 所示同步降壓穩(wěn)壓器電路中的控制器)的實(shí)現(xiàn)方案具有諸多優(yōu)點(diǎn),包括能夠增強(qiáng)電流性能,改善散熱性能,以及提高設(shè)計(jì)選擇、元器件選型和所實(shí)現(xiàn)功能的靈活性。
 
采用離散FET設(shè)計(jì)的EMI抑制技術(shù)
圖 1:驅(qū)動功率 MOSFET Q1 和 Q2 的同步降壓控制器的原理圖
 
然而,從 EMI 角度來看,采用分立式 FET 的控制器解決方案與采用集成 FET 的轉(zhuǎn)換器相比,更具挑戰(zhàn)性。主要有兩方面的考量因素。首先,在緊湊性方面,采用 MOSFET 和控制器的功率級的印刷電路板 (PCB) 布局比不上采用優(yōu)化引腳布局和內(nèi)部柵極驅(qū)動器的功率轉(zhuǎn)換器集成電路 (IC) 。其次,對于死區(qū)時(shí)間管理,在 MOSFET 開關(guān)時(shí)間在額定范圍的轉(zhuǎn)換器中通常更精確。因此,體二極管導(dǎo)通時(shí)間更短,從而能夠改善開關(guān)性能并降低與反向恢復(fù)相關(guān)的噪聲。
 
本文提供與采用 MOSFET 和控制器及半橋設(shè)計(jì)的多層 PCB 相關(guān)指南,以實(shí)現(xiàn)出色的 EMI 性能。當(dāng)務(wù)之急是謹(jǐn)慎選擇功率級元器件和適合的 PCB 布局,最大程度地減小關(guān)鍵回路寄生電感。布局示例表明,可以在不犧牲效率或熱性能指標(biāo)的情況下減少傳導(dǎo)電磁輻射。
 
迎接 EMI 相關(guān)挑戰(zhàn)
 
產(chǎn)生 EMI 的三個(gè)基本要素包括:電噪聲源、耦合路徑及受擾接收器。應(yīng)對其中一個(gè)或所有基本要素,可以實(shí)現(xiàn)干擾抑制,從而實(shí)現(xiàn)合電磁兼容性 (EMC)。在實(shí)踐中,可以采用多種技術(shù)中斷耦合路徑和/或強(qiáng)化可能的受擾電路,例如插入 EMI 濾波器來抑制傳導(dǎo)干擾,借助屏蔽來降低輻射干擾等。
 
對于與降壓穩(wěn)壓器的不連續(xù)輸入電流(或升壓穩(wěn)壓器的不連續(xù)輸出電流)相關(guān)的低頻 EMI 頻譜幅值,采用傳統(tǒng)的濾波器級進(jìn)行處理相對容易。然而,與開關(guān)換向期間電壓和電流的尖銳邊緣相關(guān)的高 dv/dt 以及 di/dt 會產(chǎn)生諧波分量,從而導(dǎo)致出現(xiàn)更大的問題。高電流柵極驅(qū)動器(在電壓低于 100V 時(shí),通常集成在控制器中)可以以極高的速度開關(guān)功率 MOSFET。傳統(tǒng)硅 FET 的轉(zhuǎn)換率通常大于 10V/ns和 1A/ns,基于氮化鎵 (GaN) 的器件轉(zhuǎn)換率可能更高。我對本文第 2 部分中梯形開關(guān)波形的時(shí)域特性與其頻譜成分之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,闡述了波形的最陡斜率決定高頻頻譜的漸近包絡(luò),因此,采用降低 dv/dt 和 di/dt 的方法有助于降低產(chǎn)生 EMI 的可能性。
 
除了電壓和電流的尖銳邊沿之外,與開關(guān)波形相關(guān)的過沖/下沖及隨后產(chǎn)生的振鈴也非常棘手。圖 2 顯示了硬開關(guān)同步降壓穩(wěn)壓器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓振鈴頻率范圍為 50MHz 至 250MHz,具體取決于寄生功率回路電感的諧振 (LLOOP)及 MOSFET 輸出電容 (COSS)。此類高頻分量可以通過近場耦合傳播到輸出總線、周邊元器件或輸入電源線,并且難以通過傳統(tǒng)濾波衰減。同步 MOSFET 體二極管反向恢復(fù)存在類似的負(fù)面作用,當(dāng)二極管恢復(fù)電流流入寄生回路電感時(shí),振鈴電壓升高。
 
采用離散FET設(shè)計(jì)的EMI抑制技術(shù)
圖 2:同步降壓穩(wěn)壓器在 MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換期間的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形和等效電路
 
圖 3 的原理圖標(biāo)出了降壓調(diào)節(jié)器電路 [6] 的關(guān)鍵高頻功率回路,代表了具有高轉(zhuǎn)換率電流的電路元件。可以對升壓、反相降壓-升壓、單端初級側(cè)電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 和其他拓?fù)溥M(jìn)行類似檢查。最大限度縮減功率回路的面積至關(guān)重要,原因是該參數(shù)與寄生電感和相關(guān) H 場傳播成正比。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過減小寄生電感最大程度提升寄生 LC 諧振電路的諧振頻率。由此,降低存儲的無功能量總值,減少開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓峰值過沖和振鈴。此外,達(dá)到臨界阻尼因子的等效電阻實(shí)際上更低,因此任何振鈴都會更早衰減 - 在高頻時(shí)的趨膚效應(yīng)增大回路的寄生電阻時(shí)更是如此。
 
采用離散FET設(shè)計(jì)的EMI抑制技術(shù)
圖 3:標(biāo)出了同步降壓穩(wěn)壓器中對 EMI 至關(guān)重要的高頻電流回路
 
圖 3 中,還顯示了導(dǎo)通和關(guān)斷期間高側(cè)和低側(cè) MOSFET 的柵極驅(qū)動器回路。務(wù)必遵從功率級布局期間的特殊注意事項(xiàng)(下文討論),確保功率回路、柵極回路和共源寄生電感都盡可能低。
 
實(shí)現(xiàn)低 EMI 的 PCB 布局設(shè)計(jì)
 
以下步驟總結(jié)了 DC/DC 穩(wěn)壓器中元器件位置和 PCB 布局的基本準(zhǔn)則,以幫助盡可能降低噪聲和 EMI 信號。其中一些步驟類似于第 5 部分中針對采用集成 MOSFET 的基于轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)所介紹的步驟。在后續(xù)部分,我將提供 PCB 布局案例研究,探討如何優(yōu)化降壓穩(wěn)壓器 EMI 特性。
 
●     布線及元器件排布
●     將所有功率級元器件排布在 PCB 頂部。
            —  避免將開關(guān)節(jié)點(diǎn)覆銅和電感放在底部,以免對 EMI 測試裝置的基準(zhǔn)平面產(chǎn)生輻射。
 
●     將 VCC 或 BIAS 的旁路電容放置于靠近各自引腳的位置。
            —  在將 AGND 引腳與 GND 相連之前,首先電路中連入 CVCC 和 CBIAS 電容。
 
●     將臨近的自舉電容與控制器的 BOOT 和 SW 引腳相連接。
             —  利用鄰近的接地覆銅屏蔽 CBST 電容和開關(guān)節(jié)點(diǎn),降低共模噪聲。
 
●     GND 平面設(shè)計(jì)
●     將 PCB 分層板中的第 2 層接地平面盡可能放在靠近頂層功率級元器件的位置,以消除 H 場、降低寄生電感及屏蔽噪聲。
●     使用位于頂層與第二層接地平面之間的低 z 軸間距獲得最佳映像平面效果。
             —  在 PCB 分層規(guī)范中將層間距指定為 6 mil。 
 
●     輸入和輸出電容
●     放置降壓穩(wěn)壓器的 CIN,盡量減小將 CIN 連接到功率 MOSFET 所形成的回路面積。對于升壓穩(wěn)壓器和 SEPIC 穩(wěn)壓器的 COUT,同樣建議如此操作。
            —  功率回路分類為橫向或縱向,具體取決于電容相對于 MOSFET 的放置位置。
 
●     CIN 和 COUT 的接地返回路徑應(yīng)由集中放置的頂層平面組成。
            —  使用多個(gè)外部或內(nèi)部 GND 平面連接 DC 電流路徑。
 
●     使用外殼尺寸為 0402 或 0603 的低等效串聯(lián)電感 (ESL) 陶瓷電容,并放在 MOSFET 附近,以最大限度地減小功率回路寄生電感。
●     電感和開關(guān)節(jié)點(diǎn)布局
●     將電感放置在靠近 MOSFET 的位置。             
            —  盡量減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)覆銅多邊形面積,從而盡量避免電容耦合及減小共模電流。覆銅區(qū)應(yīng)僅覆蓋電感焊盤并僅占用連接 MOSFET 端子所需的最小面積。
 
●     使用鄰近的接地保護(hù)并通過屏蔽限制開關(guān)節(jié)點(diǎn)噪聲。
●     檢查電感點(diǎn)位置,確保與開關(guān)節(jié)點(diǎn)相連的繞組末端位于繞組幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)部的底部,由連接到 VOUT(降壓穩(wěn)壓器)或 VIN(升壓穩(wěn)壓器)的繞組的外層繞線提供屏蔽。
●     選擇在封裝下方設(shè)有端子的電感。
            —  避免使用可能產(chǎn)生天線輻射效應(yīng)的大型側(cè)壁式端子。
 
●     盡可能使用電場屏蔽電感。將屏蔽端子與 PCB 接地平面相連。
●     柵極驅(qū)動器布線
●     將控制器放置在盡可能靠近功率 MOSFET 的位置。
            —  連接 HO 和 SW 的柵極驅(qū)動器時(shí),應(yīng)分別采用最小的布線長度和最小的回路面積,直接連接到高側(cè) MOSFET 柵極和源極端子。
 
            —  將 LO 的柵極驅(qū)動器直接連接到接地平面上方的低側(cè) MOSFET 柵極,并盡量減小介電間距。
 
            —  對柵極驅(qū)動器進(jìn)行正交布線,盡量減少功率回路與柵極回路之間的耦合。
 
●     EMI 管理
●     連接 EMI 濾波器元器件時(shí),應(yīng)避免由電感和開關(guān)節(jié)點(diǎn)輻射產(chǎn)生的電場形成耦合。
            —  如果 EMI 濾波器與功率級的分隔距離不足,可將 EMI 濾波器放在電路板上轉(zhuǎn)換器的對側(cè)。
 
●     在 EMI 濾波器下方的所有層上開口,以防寄生耦合路徑影響濾波器的衰減特性。
●     根據(jù)需要,可添加一個(gè)與 CBOOT 串聯(lián)的電阻(最好小于 10Ω),限制 MOSFET 導(dǎo)通速度,從而降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓轉(zhuǎn)換率,減少過沖和振鈴。
            —  自舉電阻會改變驅(qū)動電流瞬變率,從而降低 MOSFET 導(dǎo)通期間的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓和電流轉(zhuǎn)換率。
 
            —  為提高靈活性,可以考慮使用具有柵極驅(qū)動器專用源極引腳和漏極引腳的控制器。
 
●     任何所需的開關(guān)節(jié)點(diǎn)緩沖電路都應(yīng)根據(jù)每次開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)的瞬態(tài)電流峰值,占用最小的回路面積。
            —  將封裝尺寸最小的元器件連接到 SW(通常是電容),盡量降低其天線效應(yīng)。
 
●     使用具有內(nèi)部接地平面的多層 PCB,與雙層設(shè)計(jì)相比,其性能得到顯著提升。
            —  避免阻斷 MOSFET 附近的高頻電流路徑。
 
●     考慮采用金屬外殼屏蔽優(yōu)化輻射 EMI 性能。
             —  屏蔽外殼可覆蓋除 EMI 濾波器之外的所有功率級元器件,外殼與 PCB 上的 GND 相連,基本形成了一個(gè)帶有 PCB 接地平面的法拉第籠。
 
DC/DC 同步降壓控制器案例研究
 
圖 4 顯示用于汽車應(yīng)用或噪聲敏感型工業(yè)應(yīng)用的同步降壓轉(zhuǎn)換器電路 [6] 的原理圖。其中融合了有助于改善 EMI 性能的多項(xiàng)特性,包括恒定開關(guān)頻率操作、外部時(shí)鐘同步以及通過高側(cè) MOSFET 受控導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)整形(轉(zhuǎn)換率控制)。為了幫助實(shí)現(xiàn)最佳的 PCB 布局,原理圖中將高電流走線(VIN、PGND、SW 連接)、噪聲敏感型網(wǎng)絡(luò)(FB、COMP、ILIM)和高 dv/dt 電路節(jié)點(diǎn)(SW、BST、HO、LO、SYNC)突出顯示。高 di/dt 回路類似于圖 3 中標(biāo)示的回路。
 
采用離散FET設(shè)計(jì)的EMI抑制技術(shù)
圖 4:DC/DC 降壓穩(wěn)壓器原理圖,其中標(biāo)示出 PCB 布局的重要節(jié)點(diǎn)和走線
 
圖 5 顯示了功率 MOSFET 及輸入電容的兩種橫向回路布局。功率級位于 PCB 頂層,控制器放置于底部。橫向回路設(shè)計(jì)在頂層存在循環(huán)電流(圖 5 中用白框表示),該電流在第二層接地平面上感應(yīng)出映像電流,以抵消磁通,從而降低寄生回路電感。
 
更具體來說,修改圖 5b 中的布局,使高側(cè) FET (Q1) 旋轉(zhuǎn) 90 度。這樣可以改善 Q1 的散熱效果,從而更好地進(jìn)行熱管理,并可以在 MOSFET 附近方便地放置外殼尺寸為 0603 的低 ESL 電容 (Cin1),以實(shí)現(xiàn)高頻去耦??紤]到功率級元器件的 U 型布局方向,較短返回連接的輸出電容將放置在低側(cè) MOSFET。
 
采用離散FET設(shè)計(jì)的EMI抑制技術(shù)
圖 5:兩種傳統(tǒng)的橫向回路布局設(shè)計(jì)
 
改進(jìn)后的 PCB 布局設(shè)計(jì)
 
圖 6 所示為改進(jìn)后的布局,其優(yōu)勢是可減小功率回路面積,使多層結(jié)構(gòu)達(dá)到高效率。該設(shè)計(jì)將 PCB 的第 2 層用作功率回路返回路徑。該返回路徑位于頂層的緊下方,形成小尺寸物理回路。垂直回路中的反向電流可使磁場自行消除,從而進(jìn)一步減小寄生電感。圖 6 中的側(cè)視圖展示了在多層 PCB 結(jié)構(gòu)中形成小尺寸自行消除回路的概念。
 
將四個(gè) 0603 輸入電容放置在盡可能接近高側(cè) MOSFET 的位置(位于圖 6 中大容量輸入去耦電容 CIN1 與 CIN2 之間),這四個(gè)電容具有較小的 0402 或 0603 外殼尺寸及較低的 ESL。這些電容的返回連接通過多個(gè) 12 mil 的過孔連接到第 2 層接地平面。第 2 層接地平面在 MOSFET 的緊下方提供了至低側(cè) MOSFET 源極端子的電流返回路徑。
 
采用離散FET設(shè)計(jì)的EMI抑制技術(shù)
圖 6:采用垂直功率回路設(shè)計(jì)的功率級和控制器的布局
 
此外,開關(guān)節(jié)點(diǎn)覆銅多邊形區(qū)域只包含電感焊盤以及連接 MOSFET 所需的最小面積。接地平面覆銅區(qū)可屏蔽將 MOSFET 連接到電感端子的多邊形覆銅區(qū)。SW 和 BST 的單層布局意味著 PCB 的底側(cè)不會有 dv/dt 較高的過孔。這樣可以避免在 EMI 測試期間,電場與基準(zhǔn)接地平面耦合。最后,在電感兩側(cè)各使用一個(gè)陶瓷輸出電容 COUT1 和 COUT2,優(yōu)化輸出電流回路。在輸出端引出兩個(gè)并聯(lián)的返回路徑可以將返回電流分成兩部分,有助于減弱“地彈反射”效應(yīng)。
 
圖 7a 所示為,圖 4 中的穩(wěn)壓器采用圖 6 中的優(yōu)化布局時(shí),使用寬帶探頭測得的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形。振鈴不明顯,只存在低幅度過沖和下沖,表示 50MHz 以上時(shí) EMI 性能良好。為進(jìn)行對比,圖 7b 顯示了采用圖 5b 所示橫向回路布局的類似測量結(jié)果。優(yōu)化布局的峰值過沖降低約 8V。
 
采用離散FET設(shè)計(jì)的EMI抑制技術(shù)
圖 7:VIN = 48V,IOUT = 8A 時(shí)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形,(a) 為優(yōu)化布局,(b) 為橫向回路布局
 
圖 8 所示為圖 6 中的轉(zhuǎn)換器在 150kHz 至 108MHz 下測得的傳導(dǎo)發(fā)射。使用 Rohde & Schwarz 的頻譜分析儀,所得檢測器掃描結(jié)果的峰值和平均值分別以黃色和藍(lán)色表示。結(jié)果符合國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 25 5 類要求。紅色限值圖象為 5 類峰值和平均值限值(峰值限值通常比平均值限值高出 20dB)。
 
采用離散FET設(shè)計(jì)的EMI抑制技術(shù)
圖 8:CISPR 25 傳導(dǎo)發(fā)射測量結(jié)果,(a) 頻率范圍為 150kHz 至 30MHz,(b) 頻率范圍為 30MHz 至 108MHz 
 
總結(jié)
 
功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)瞬變是傳導(dǎo) EMI 和輻射 EMI 的主要來源。本文重點(diǎn)介紹在使用控制器和外部 MOSFET 的 DC/DC 穩(wěn)壓器電路中,有助于降低 EMI 的 PCB 布局。關(guān)于布局的主要建議包括,盡量減小布局中的電流“熱回路”面積,避免阻斷電流路徑,采用具有內(nèi)部接地平面的多層 PCB 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)屏蔽(性能遠(yuǎn)超雙層 PCB),以差分對形式敷設(shè)短而直接的柵極驅(qū)動器走線,以及通過盡量減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)覆銅區(qū)域面積來降低電場輻射耦合。
 
優(yōu)化后的 PCB 布局有助于改善穩(wěn)壓器的 EMI 信號(與降低 EMI 的其他常用“修復(fù)”手段不同,不會犧牲效率或熱性能)。盡管本文圍繞 EMI 敏感的同步降壓功率級進(jìn)行論述,但只要能確定關(guān)鍵回路并實(shí)施文中建議采用的布局方法,通常可以將這些概念推廣至任何 DC/DC 穩(wěn)壓器。
 
 
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