開(kāi)關(guān)電源作為當下電控系統中的基礎、主流的裝置，被廣泛應用于計算機、通信、電子設備等諸多應用，且由于其不存在替代設備，因此市場(chǎng)規模十分龐大。隨著(zhù)“低碳時(shí)代”的到來(lái)，電子設備日趨小型化、輕薄化、節能化，開(kāi)關(guān)電源的市場(chǎng)規模也迎來(lái)了進(jìn)一步的增長(cháng)。

全球電源市場(chǎng)規模預測

根據Markets and Research發(fā)布的數據顯示，全球電源市場(chǎng)規模將從2018年的225億美元增長(cháng)到2023年的349.2億美元，2018-2023年的復合年增長(cháng)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)調整輸出電壓。

但由于開(kāi)關(guān)電源瞬態(tài)響應較差，易產(chǎn)生電磁干擾（EMI）信號，而這些EMI信號經(jīng)過(guò)傳導和輻射，不僅會(huì )污染電磁環(huán)境，還會(huì )對通信設備和電子儀器造成干擾。更重要的是，隨著(zhù)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(chēng)為Electro Magnetic lnterference，是一種電子系統或分系統受非預期的電磁擾動(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。一般分為內部干擾源和外部干擾源，其中內部干擾源包括開(kāi)關(guān)電路、整流電路的整流二極管、雜散參數，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部的引線(xiàn)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。當開(kāi)關(guān)管負載為高頻變壓器初級線(xiàn)圈時(shí)屬于感性負載，此時(shí)原來(lái)導通的開(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，從而形成傳導干擾。當然不止開(kāi)關(guān)電路，上述提到的整流電路的整流二極管、雜散參數等都是導致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)現并解決，后期想整改就要額外耗費大量時(shí)間和資金成本。特別對于部分中小型企業(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(xiāo)，更甚者會(huì )阻礙后期的設計進(jìn)度。

因此，我們必須提高對EMI問(wèn)題的重視程度，在設計之初就考慮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

1. 優(yōu)化布局布線(xiàn)中的電流回路

在開(kāi)關(guān)電源設計中，PCB設計是關(guān)鍵一步，它對電源的性能、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(xiàn)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。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(huà)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設計過(guò)程中，如果使用短而寬的PCB走線(xiàn)，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。而對電源線(xiàn)執行此操作的一種好方法是將電源線(xiàn)和返回路徑彼此重疊放置在PCB的相鄰層上。

2. 控制器件開(kāi)關(guān)速度

在開(kāi)關(guān)電源設計中為提高功率密度，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(zhù)減小輸出濾波器體積，從而在單位體積內實(shí)現更高的功率等級。

但隨著(zhù)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，而這恰恰就是導致EMI的主要原因之一。不僅如此，高du/dt還會(huì )對電機繞組的絕緣產(chǎn)生不利影響，加速漆包線(xiàn)、絕緣環(huán)等絕緣件的老化，對電機的絕緣設計帶來(lái)了新的挑戰。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）開(kāi)發(fā)的一項針對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，甚至在擊穿電壓達到600V的情況下，實(shí)現理想的低RDS(ON)。換句話(huà)說(shuō)，采用SupeRFET技術(shù)的器件封裝尺寸能實(shí)現大幅減小。

2016年，Fairchild Semiconductor就推出了SuperFET III MOSFET系列。此次推薦的SuperFET V 是安森美專(zhuān)屬的新一代高電壓MOSFET，采用先進(jìn)的電荷平衡機制，實(shí)現了出色的低導通電阻和更低門(mén)極電荷性能。作為第五代高壓超級結（SJ）MOSFET，安森美的這款MOSFET具有出色的品質(zhì)因數（FOM），不僅提高了重負載效率，還提高了輕負載效率。

圖3：onsemi SuperFET V MOSFET（圖源：Mouser）

據了解，該系列器件有三個(gè)產(chǎn)品組，分別是FAST、Easy Drive和FRFET，可在各種不同的應用和拓撲結構中提供優(yōu)于同類(lèi)的性能，其中：

FAST

FAST版本在硬開(kāi)關(guān)拓撲結構（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)拓撲結構，包含一個(gè)內置門(mén)極電阻（Rg）及經(jīng)優(yōu)化的內置電容。

FRFET

FRFET版本的優(yōu)勢是快速體二極管，并提供降低的Qrr和Trr，適用于軟開(kāi)關(guān)拓撲結構，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)現低導通電阻，以及更低門(mén)極電荷方面的出色性能。而這項技術(shù)專(zhuān)用于極大程度降低導通損耗，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)現更輕松的電源設計。

除了SuperFET V系列外，貿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)應用。同時(shí)M3S具有低開(kāi)關(guān)損耗，采用TO247-4LD封裝，可實(shí)現低公共源電感。

圖4：M3S 1200V SiC MOSFET（圖源：Mouser）

該系列在使用18V柵極驅動(dòng)器驅動(dòng)時(shí)具有極優(yōu)良的性能，但也適用于15V柵極驅動(dòng)器，在提高功率密度的同時(shí)還能減少EON損失，可以應用于交直流轉換、直流-交流轉換、DC-DC轉換等多個(gè)方面。

減少寄生參數影響

在EMI的頻率范圍內，常用的無(wú)源器件都不再被認為是理想的，它們的寄生參數嚴重影響著(zhù)其高頻特性。

從理論上來(lái)講，寄生參數的提取精確度是通過(guò)仿真有效預測EMI水平的關(guān)鍵。雖然這對于結構簡(jiǎn)單的元件來(lái)說(shuō)是很容易計算的，但是對于某些結構復雜的元件，例如多層板和直流母線(xiàn)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，在設計濾波器的時(shí)候，也要考慮到PCB寄生參數對濾波器阻抗的影響，畢竟其本質(zhì)也是增大對干擾的阻抗，使干擾無(wú)法通過(guò)傳播路徑。

對敏感電路進(jìn)行保護

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)欠壓保護電路、輸出過(guò)欠壓保護電路、輸出過(guò)流保護電路、輸出短路保護電路等。

常見(jiàn)的電源保護方法包括防浪涌軟啟動(dòng)電路；過(guò)壓、欠壓及過(guò)熱保護電路；缺相保護電路；短路保護。下圖就是典型的輸入EMI抑制電路。當電網(wǎng)受到雷擊時(shí)，產(chǎn)生高壓經(jīng)輸入線(xiàn)導入開(kāi)關(guān)電源設備時(shí)，由FS1、ZNR1、RTH1組成防雷浪涌電路進(jìn)行保護。

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，主要是對電網(wǎng)串入的電磁噪聲進(jìn)行抑制，防止對開(kāi)關(guān)電源干擾，同時(shí)也抑制開(kāi)關(guān)電源內部產(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)，對敏感電路的保護也是解決EMI問(wèn)題的不二選擇，而這就對器件的保護功能提出了要求。以Monolithic Power Systems（MPS）的單片電源系統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校正，并且提供非常低的電源電流，可實(shí)現低于50mW的低待機功耗。

圖6：MP44019 CrM/DCM多模式PFC控制器（圖源：MPS官網(wǎng)）

更重要的是，MP44019集多重保護功能于一體，包括過(guò)壓保護（OVP）、二次過(guò)壓保護（OVP2）、過(guò)流限制（OCL）、過(guò)流保護（OCP）、欠壓保護（UVP）、 in（BI）和掉電（BO）、VCC欠壓鎖定（UVLO）和過(guò)熱保護（OTP）。

該器件通�？蓱�用于A(yíng)C-DC轉換、DC-AC轉換以及DC-DC轉換等方面，并能在輕負荷下使用死區擴展技術(shù)來(lái)降低開(kāi)關(guān)頻率。此外，其在非連續傳導模式（DCM）中，與傳統的恒定準時(shí)控制（COT）相比，更是采用了可變準時(shí)控制來(lái)降低總諧波失真（THD）。

圖7：MP44019控制器典型應用電路圖（圖源：Mouser）

EMI問(wèn)題不可小覷

當前技術(shù)日新月異，隨著(zhù)人工智能、醫療、新能源、汽車(chē)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快速增長(cháng)勢頭。迅猛增勢背后是下游企業(yè)對開(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工作的可靠性及穩定性都將會(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)題勢在必行，而上述四招技巧就是“制勝法寶”。