【導(dǎo)讀】開(kāi)關(guān)電源作為當(dāng)下電控系統(tǒng)中的基礎(chǔ)、主流的裝置，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、電子設(shè)備等諸多應(yīng)用，且由于其不存在替代設(shè)備，因此市場(chǎng)規(guī)模十分龐大。隨著“低碳時(shí)代”的到來(lái)，電子設(shè)備日趨小型化、輕薄化、節(jié)能化，開(kāi)關(guān)電源的市場(chǎng)規(guī)模也迎來(lái)了進(jìn)一步的增長(zhǎng)。
全球電源市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)
根據(jù)Markets and Research發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球電源市場(chǎng)規(guī)模將從2018年的225億美元增長(zhǎng)到2023年的349.2億美元，2018-2023年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為6.7%。
圖1（圖源：中商產(chǎn)業(yè)研究院）
影響開(kāi)關(guān)電源的因素
眾所周知，開(kāi)關(guān)電源是將功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)元件并通過(guò)周期性通斷開(kāi)關(guān)，控制開(kāi)關(guān)元件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。
但由于開(kāi)關(guān)電源瞬態(tài)響應(yīng)較差，易產(chǎn)生電磁干擾（EMI）信號(hào)，而這些EMI信號(hào)經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)和輻射，不僅會(huì)污染電磁環(huán)境，還會(huì)對(duì)通信設(shè)備和電子儀器造成干擾。更重要的是，隨著開(kāi)關(guān)電源的體積越來(lái)越小、功率密度越來(lái)越大，EMI控制問(wèn)題愈發(fā)成為限制其使用的關(guān)鍵因素。
EMI為何如此重要？
EMI全稱為Electro Magnetic lnterference，是一種電子系統(tǒng)或分系統(tǒng)受非預(yù)期的電磁擾動(dòng)造成的性能損害，其產(chǎn)生的條件和傳播途徑主要由干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備三個(gè)基本要素組成。
何為干擾源？顧名思義就是產(chǎn)生電磁干擾的源頭。一般分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源，其中內(nèi)部干擾源包括開(kāi)關(guān)電路、整流電路的整流二極管、雜散參數(shù)，外部干擾源包括電源干擾和雷電干擾。
那干擾源又是如何產(chǎn)生的？以開(kāi)關(guān)電路為例，開(kāi)關(guān)電路是開(kāi)關(guān)電源的核心，同時(shí)也是主要干擾源之一，由開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器組成。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，由于開(kāi)關(guān)管及其散熱片與外殼和電源內(nèi)部的引線間存在分布電容，其產(chǎn)生的du/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。當(dāng)開(kāi)關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級(jí)線圈時(shí)屬于感性負(fù)載，此時(shí)原來(lái)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，高頻變壓器的漏感產(chǎn)生了反電勢(shì)E＝-Ldi/dt，其值與集電極的電流變化率成正比，與漏感成正比，迭加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，從而形成傳導(dǎo)干擾。當(dāng)然不止開(kāi)關(guān)電路，上述提到的整流電路的整流二極管、雜散參數(shù)等都是導(dǎo)致EMI的重要原因。
EMI問(wèn)題說(shuō)大不大，但如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決，后期想整改就要額外耗費(fèi)大量時(shí)間和資金成本。特別對(duì)于部分中小型企業(yè)來(lái)說(shuō)，異常繁瑣的EMI整改可能會(huì)帶來(lái)BOM成本等不菲的開(kāi)銷，更甚者會(huì)阻礙后期的設(shè)計(jì)進(jìn)度。
因此，我們必須提高對(duì)EMI問(wèn)題的重視程度，在設(shè)計(jì)之初就考慮EMI問(wèn)題，而這關(guān)鍵之處就在于必須從源頭入手解決，本篇文章就教你如何搞定開(kāi)關(guān)電源EMI。
四招搞定開(kāi)關(guān)電源EMI
#01 優(yōu)化布局布線中的電流回路
在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，PCB設(shè)計(jì)是關(guān)鍵一步，它對(duì)電源的性能、EMC要求、可靠性、可生產(chǎn)性都會(huì)產(chǎn)生很大影響。
一般來(lái)說(shuō)，EMI線性正比于電流、電流回路面積以及頻率的平方即：EMI=K*I*S*F2。I是電流，S是回路面積，F(xiàn)是頻率，K是與電路板材料和其他因素有關(guān)的一個(gè)常數(shù)。該關(guān)系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關(guān)鍵，換句話說(shuō)，就是開(kāi)關(guān)電源的元器件要彼此緊密排列。
因此，在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果使用短而寬的PCB走線，就可以降低壓降并極大限度地降低電感；同時(shí)通過(guò)使用高頻開(kāi)關(guān)優(yōu)化元件布局。而對(duì)電源線執(zhí)行此操作的一種好方法是將電源線和返回路徑彼此重疊放置在PCB的相鄰層上。
#02 控制器件開(kāi)關(guān)速度
在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中為提高功率密度，通常會(huì)選擇開(kāi)關(guān)頻率更高的MOSFET，通過(guò)提高開(kāi)關(guān)速度顯著減小輸出濾波器體積，從而在單位體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的功率等級(jí)。
但隨著開(kāi)關(guān)速度的提高，功率開(kāi)關(guān)管通/斷時(shí)的du/dt也會(huì)隨之升高，而這恰恰就是導(dǎo)致EMI的主要原因之一。不僅如此，高du/dt還會(huì)對(duì)電機(jī)繞組的絕緣產(chǎn)生不利影響，加速漆包線、絕緣環(huán)等絕緣件的老化，對(duì)電機(jī)的絕緣設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。因此，控制器件開(kāi)關(guān)速度進(jìn)而減小功率開(kāi)關(guān)管通/斷的du/dt也成為了抑制開(kāi)關(guān)電源干擾的一項(xiàng)重要措施。
圖2：MOSFET等效電路
（圖源：Mouser）
由此來(lái)看，如何選擇MOSFET也是關(guān)鍵一步，貿(mào)澤電子在售的來(lái)自安森美(onsemi)的SuperFET? V MOSFET就是很好的選擇。
SuperFET是由Fairchild Semiconductor（2015年已被安森美收購(gòu)）開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)針對(duì)RDS(ON)降低而增加額外制造步驟的技術(shù)，SuperFET 器件可在小晶片尺寸，甚至在擊穿電壓達(dá)到600V的情況下，實(shí)現(xiàn)理想的低RDS(ON)。換句話說(shuō)，采用SupeRFET技術(shù)的器件封裝尺寸能實(shí)現(xiàn)大幅減小。
2016年，F(xiàn)airchild Semiconductor就推出了SuperFET III MOSFET系列。此次推薦的SuperFET V 是安森美專屬的新一代高電壓MOSFET，采用先進(jìn)的電荷平衡機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了出色的低導(dǎo)通電阻和更低門(mén)極電荷性能。作為第五代高壓超級(jí)結(jié)（SJ）MOSFET，安森美的這款MOSFET具有出色的品質(zhì)因數(shù)（FOM），不僅提高了重負(fù)載效率，還提高了輕負(fù)載效率。
圖3：onsemi SuperFET V MOSFET
（圖源：Mouser）
據(jù)了解，該系列器件有三個(gè)產(chǎn)品組，分別是FAST、Easy Drive和FRFET，可在各種不同的應(yīng)用和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中提供優(yōu)于同類的性能，其中：
FAST
FAST版本在硬開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如高端PFC）中提供極高能效，并經(jīng)過(guò)優(yōu)化以提供更低的門(mén)極電荷（Qg）和EOSS損耗，實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)。
Easy Drive
Easy Drive版本適用于硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包含一個(gè)內(nèi)置門(mén)極電阻（Rg）及經(jīng)優(yōu)化的內(nèi)置電容。
FRFET
FRFET版本的優(yōu)勢(shì)是快速體二極管，并提供降低的Qrr和Trr，適用于軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如移相全橋（PSFB）和LLC。
以Easy Drive來(lái)說(shuō)，其可以利用電荷平衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，以及更低門(mén)極電荷方面的出色性能。而這項(xiàng)技術(shù)專用于極大程度降低導(dǎo)通損耗，提供出色的開(kāi)關(guān)性能，并且可以承受極端dv/dt速率，進(jìn)而有助于管理EMI問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)更輕松的電源設(shè)計(jì)。
除了SuperFET V系列外，貿(mào)澤電子在售的還有安森美的另一款名叫M3S 1200V SiC MOSFET。該系列MOSFET以碳化硅為材料，優(yōu)化用于快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用。同時(shí)M3S具有低開(kāi)關(guān)損耗，采用TO247-4LD封裝，可實(shí)現(xiàn)低公共源電感。
圖4：M3S 1200V SiC MOSFET
（圖源：Mouser）
該系列在使用18V柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)時(shí)具有極優(yōu)良的性能，但也適用于15V柵極驅(qū)動(dòng)器，在提高功率密度的同時(shí)還能減少EON損失，可以應(yīng)用于交直流轉(zhuǎn)換、直流-交流轉(zhuǎn)換、DC-DC轉(zhuǎn)換等多個(gè)方面。
#03 減少寄生參數(shù)影響
在EMI的頻率范圍內(nèi)，常用的無(wú)源器件都不再被認(rèn)為是理想的，它們的寄生參數(shù)嚴(yán)重影響著其高頻特性。
從理論上來(lái)講，寄生參數(shù)的提取精確度是通過(guò)仿真有效預(yù)測(cè)EMI水平的關(guān)鍵。雖然這對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的元件來(lái)說(shuō)是很容易計(jì)算的，但是對(duì)于某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的元件，例如多層板和直流母線等來(lái)說(shuō)，并不能輕易得到。
因此，在選取元件時(shí)需要盡量選取寄生參數(shù)影響小的元件，比如電容的ESR和ESL、電感的寄生電容等要盡量小。此外，在設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候，也要考慮到PCB寄生參數(shù)對(duì)濾波器阻抗的影響，畢竟其本質(zhì)也是增大對(duì)干擾的阻抗，使干擾無(wú)法通過(guò)傳播路徑。
#04 對(duì)敏感電路進(jìn)行保護(hù)
開(kāi)關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成，而輔助電路包括了輸入過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。
常見(jiàn)的電源保護(hù)方法包括防浪涌軟啟動(dòng)電路；過(guò)壓、欠壓及過(guò)熱保護(hù)電路；缺相保護(hù)電路；短路保護(hù)。下圖就是典型的輸入EMI抑制電路。當(dāng)電網(wǎng)受到雷擊時(shí)，產(chǎn)生高壓經(jīng)輸入線導(dǎo)入開(kāi)關(guān)電源設(shè)備時(shí)，由FS1、ZNR1、RTH1組成防雷浪涌電路進(jìn)行保護(hù)。
圖5：輸入EMI濾波電路圖
（圖源：Mouser）
R1、R2、C2、C4、LF1、LF2組成的π型濾波電路，是輸入濾波電路，主要是對(duì)電網(wǎng)串入的電磁噪聲進(jìn)行抑制，防止對(duì)開(kāi)關(guān)電源干擾，同時(shí)也抑制開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的高頻噪聲干擾電網(wǎng)，弱化電網(wǎng)的電磁污染。
由此可見(jiàn)，對(duì)敏感電路的保護(hù)也是解決EMI問(wèn)題的不二選擇，而這就對(duì)器件的保護(hù)功能提出了要求。以Monolithic Power Systems（MPS）的單片電源系統(tǒng)MP44019 CrM/DCM多模式PFC控制器為例，這款控制器使用極少的外部組件提供簡(jiǎn)化的高性能有源功率因數(shù)校正，并且提供非常低的電源電流，可實(shí)現(xiàn)低于50mW的低待機(jī)功耗。
圖6：MP44019 CrM/DCM多模式PFC控制器
（圖源：MPS官網(wǎng)）
更重要的是，MP44019集多重保護(hù)功能于一體，包括過(guò)壓保護(hù)（OVP）、二次過(guò)壓保護(hù)（OVP2）、過(guò)流限制（OCL）、過(guò)流保護(hù)（OCP）、欠壓保護(hù)（UVP）、 in（BI）和掉電（BO）、VCC欠壓鎖定（UVLO）和過(guò)熱保護(hù)（OTP）。
該器件通常可應(yīng)用于AC-DC轉(zhuǎn)換、DC-AC轉(zhuǎn)換以及DC-DC轉(zhuǎn)換等方面，并能在輕負(fù)荷下使用死區(qū)擴(kuò)展技術(shù)來(lái)降低開(kāi)關(guān)頻率。此外，其在非連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）中，與傳統(tǒng)的恒定準(zhǔn)時(shí)控制（COT）相比，更是采用了可變準(zhǔn)時(shí)控制來(lái)降低總諧波失真（THD）。
圖7：MP44019控制器典型應(yīng)用電路圖
（圖源：Mouser）
EMI問(wèn)題不可小覷
當(dāng)前技術(shù)日新月異，隨著人工智能、醫(yī)療、新能源、汽車電子等新型行業(yè)的快速發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源的需求也將呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)勢(shì)頭。迅猛增勢(shì)背后是下游企業(yè)對(duì)開(kāi)關(guān)電源提出的更為苛刻的技術(shù)要求。高效率、高功率密度，以及模塊及整體系統(tǒng)工作的可靠性及穩(wěn)定性都將會(huì)成為開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵要素，在此背景下，解決EMI控制問(wèn)題勢(shì)在必行，而上述四招技巧就是“制勝法寶”。
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