【導讀】開關電源作為當下電控系統(tǒng)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，因此市場規(guī)模十分龐大。隨著“低碳時代”的到來，電子設備日趨小型化、輕薄化、節(jié)能化，開關電源的市場規(guī)模也迎來了進一步的增長。
全球電源市場規(guī)模預測
根據Markets and Research發(fā)布的數(shù)據顯示，全球電源市場規(guī)模將從2018年的225億美元增長到2023年的349.2億美元，2018-2023年的復合年增長率為6.7%。
圖1（圖源：中商產業(yè)研究院）
影響開關電源的因素
眾所周知，開關電源是將功率半導體器件作為開關元件并通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比來調整輸出電壓。
但由于開關電源瞬態(tài)響應較差，易產生電磁干擾（EMI）信號，而這些EMI信號經過傳導和輻射，不僅會污染電磁環(huán)境，還會對通信設備和電子儀器造成干擾。更重要的是，隨著開關電源的體積越來越小、功率密度越來越大，EMI控制問題愈發(fā)成為限制其使用的關鍵因素。
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)受非預期的電磁擾動造成的性能損害，其產生的條件和傳播途徑主要由干擾源、耦合途徑、敏感設備三個基本要素組成。
何為干擾源？顧名思義就是產生電磁干擾的源頭。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關電路、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生的？以開關電路為例，開關電路是開關電源的核心，同時也是主要干擾源之一，由開關管和高頻變壓器組成。
簡單地說，由于開關管及其散熱片與外殼和電源內部的引線間存在分布電容，其產生的du/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。當開關管負載為高頻變壓器初級線圈時屬于感性負載，此時原來導通的開關管關斷，高頻變壓器的漏感產生了反電勢E＝-Ldi/dt，其值與集電極的電流變化率成正比，與漏感成正比，迭加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，從而形成傳導干擾。當然不止開關電路，上述提到的整流電路的整流二極管、雜散參數(shù)等都是導致EMI的重要原因。
EMI問題說大不大，但如果不能及時發(fā)現(xiàn)并解決，后期想整改就要額外耗費大量時間和資金成本。特別對于部分中小型企業(yè)來說，異常繁瑣的EMI整改可能會帶來BOM成本等不菲的開銷，更甚者會阻礙后期的設計進度。
因此，我們必須提高對EMI問題的重視程度，在設計之初就考慮EMI問題，而這關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關電源EMI。
四招搞定開關電源EMI
#01 優(yōu)化布局布線中的電流回路
在開關電源設計中，PCB設計是關鍵一步，它對電源的性能、EMC要求、可靠性、可生產性都會產生很大影響。
一般來說，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的一個常數(shù)。該關系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關鍵，換句話說，就是開關電源的元器件要彼此緊密排列。
因此，在PCB設計過程中，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；同時通過使用高頻開關優(yōu)化元件布局。而對電源線執(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 控制器件開關速度
在開關電源設計中為提高功率密度，通常會選擇開關頻率更高的MOSFET，通過提高開關速度顯著減小輸出濾波器體積，從而在單位體積內實現(xiàn)更高的功率等級。
但隨著開關速度的提高，功率開關管通/斷時的du/dt也會隨之升高，而這恰恰就是導致EMI的主要原因之一。不僅如此，高du/dt還會對電機繞組的絕緣產生不利影響，加速漆包線、絕緣環(huán)等絕緣件的老化，對電機的絕緣設計帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，控制器件開關速度進而減小功率開關管通/斷的du/dt也成為了抑制開關電源干擾的一項重要措施。
圖2：MOSFET等效電路
（圖源：Mouser）
由此來看，如何選擇MOSFET也是關鍵一步，貿澤電子在售的來自安森美(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）開發(fā)的一項針對RDS(ON)降低而增加額外制造步驟的技術，SuperFET 器件可在小晶片尺寸，甚至在擊穿電壓達到600V的情況下，實現(xiàn)理想的低RDS(ON)。換句話說，采用SupeRFET技術的器件封裝尺寸能實現(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，采用先進的電荷平衡機制，實現(xiàn)了出色的低導通電阻和更低門極電荷性能。作為第五代高壓超級結（SJ）MOSFET，安森美的這款MOSFET具有出色的品質因數(shù)（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，該系列器件有三個產品組，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)于同類的性能，其中：
FAST
FAST版本在硬開關拓撲結構（如高端PFC）中提供極高能效，并經過優(yōu)化以提供更低的門極電荷（Qg）和EOSS損耗，實現(xiàn)快速開關。
Easy Drive
Easy Drive版本適用于硬開關和軟開關拓撲結構，包含一個內置門極電阻（Rg）及經優(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，適用于軟開關拓撲結構，如移相全橋（PSFB）和LLC。
以Easy Drive來說，其可以利用電荷平衡技術實現(xiàn)低導通電阻，以及更低門極電荷方面的出色性能。而這項技術專用于極大程度降低導通損耗，提供出色的開關性能，并且可以承受極端dv/dt速率，進而有助于管理EMI問題，實現(xiàn)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)化用于快速開關應用。同時M3S具有低開關損耗，采用TO247-4LD封裝，可實現(xiàn)低公共源電感。
圖4：M3S 1200V SiC MOSFET
（圖源：Mouser）
該系列在使用18V柵極驅動器驅動時具有極優(yōu)良的性能，但也適用于15V柵極驅動器，在提高功率密度的同時還能減少EON損失，可以應用于交直流轉換、直流-交流轉換、DC-DC轉換等多個方面。
#03 減少寄生參數(shù)影響
在EMI的頻率范圍內，常用的無源器件都不再被認為是理想的，它們的寄生參數(shù)嚴重影響著其高頻特性。
從理論上來講，寄生參數(shù)的提取精確度是通過仿真有效預測EMI水平的關鍵。雖然這對于結構簡單的元件來說是很容易計算的，但是對于某些結構復雜的元件，例如多層板和直流母線等來說，并不能輕易得到。
因此，在選取元件時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，在設計濾波器的時候，也要考慮到PCB寄生參數(shù)對濾波器阻抗的影響，畢竟其本質也是增大對干擾的阻抗，使干擾無法通過傳播路徑。
#04 對敏感電路進行保護
開關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欠壓保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。
常見的電源保護方法包括防浪涌軟啟動電路；過壓、欠壓及過熱保護電路；缺相保護電路；短路保護。下圖就是典型的輸入EMI抑制電路。當電網受到雷擊時，產生高壓經輸入線導入開關電源設備時，由FS1、ZNR1、RTH1組成防雷浪涌電路進行保護。
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，主要是對電網串入的電磁噪聲進行抑制，防止對開關電源干擾，同時也抑制開關電源內部產生的高頻噪聲干擾電網，弱化電網的電磁污染。
由此可見，對敏感電路的保護也是解決EMI問題的不二選擇，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(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，可實現(xiàn)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）
更重要的是，MP44019集多重保護功能于一體，包括過壓保護（OVP）、二次過壓保護（OVP2）、過流限制（OCL）、過流保護（OCP）、欠壓保護（UVP）、 in（BI）和掉電（BO）、VCC欠壓鎖定（UVLO）和過熱保護（OTP）。
該器件通常可應用于AC-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(qū)擴展技術來降低開關頻率。此外，其在非連續(xù)傳導模式（DCM）中，與傳統(tǒng)的恒定準時控制（COT）相比，更是采用了可變準時控制來降低總諧波失真（THD）。
圖7：MP44019控制器典型應用電路圖
（圖源：Mouser）
EMI問題不可小覷
當前技術日新月異，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，開關電源的需求也將呈現(xiàn)快速增長勢頭。迅猛增勢背后是下游企業(yè)對開關電源提出的更為苛刻的技術要求。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)定性都將會成為開關電源的關鍵要素，在此背景下，解決EMI控制問題勢在必行，而上述四招技巧就是“制勝法寶”。
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