EMC-如何改善开关电源电路的EMI特性？-dv/dt和di/dt

在小型开关电源设计中，提高开关频率可以有效地提高电源的功率密度。但随着开关频率的增加，电路电磁干扰（EMI）问题使电源工程师面临更大的挑战。本文以反向开关拓扑为例，从设计角度讨论如何减少电路EMI。

为了提高开关电源的功率密度，电源工程师首先想到的是选择更频繁的开关MOSFET,通过提高开关速度，可以显著降低输出滤波器的体积，从而在单位体积内实现更高的功率水平。但随着开关频率的增加，它会带来EMI必须采取有效措施改善电路的恶化EMI特性

开关电源的功率MOSFET由于印刷电路板上安装了印刷电路板MOSFET杂散电容和寄生电感存在于接线和环路中，开关频率越高，这些杂散电容和寄生电感就不容忽视。由于MOSFET当开关上的电压和电流发生快速变化时，快速变化的电压和电流与这些分散的电容和寄生电感相互作用，导致电压和电流的峰值，显著增加输出噪声，影响系统EMI特性。

寄生电感和di/dt形成电压尖峰，寄生电容和dv/dt形成电流峰值。这些快速变化的电流和相关谐波在其他地方产生耦合噪声电压，从而影响开关电源EMI特点。以反激开关拓扑为例，以减少开关MOSFET的dv/dt和di/dt介绍措施。

图1 MOSFET噪声源

1 降低MOSFET的dv/dt

图2 MOSFET等效电路

我们关注的是MOSFET影响这些特征的特征和寄生效应：

1-3中，Rg和Cgd越大，dv/dt越低。1-4中，Coss越低，dv/dt越高。在MOSFET选型中，MOSFET的Coss、Ciss、Crss影响开关尖峰大小的参数特性。

从以上分析可以看出，我们可以通过改进MOSFET寄生电容Cgd、Cgs、Cds并增加驱动电阻值Rg来降低dv/dt。

图3 降低MOSFET的dv/dt措施

可采取以下有效措施：

• 较高的Cds可以降低dv/dt并降低Vds过冲；但更高Cds它会影响转换器的效率。可使用低击穿电压和低导电阻MOSFET（这类MOSFET的Cds也很小)。但如果考虑噪声辐射，则需要使用较大的谐振电容(Cds)。因此提高Cds则需要权衡EMI与效率的关系；

• 较高的Cgd本质上增加了MOSFET可以减少米勒平台的持续时间dv/dt。但这会导致开关损耗增加，从而减少MOSFET提高其温升效率。Cgd，驱动电流也会大幅增加，由于瞬时电流过大，驱动器可能会燃烧；建议不要轻易添加Cgd；

• 将外部添加到栅极处Cgs由于增加了栅极电阻，电容很少使用这种方法Rg相对简单。效果是一样的。

总结

图3总结为降低MOSFET的dv/dt措施总结。MOSFET内部寄生参数（Cgd和Cds）在较低的情况下，可能需要使用外部Cgd和Cds来降低dv/dt。外部电容器的范围多少？pF到100pF，这些寄生电容器的固定值为设计师提供参考设计。

2 降低电路中di/dt

图4 降低MOSFET的di/dt措施

图4，MOSFET各个驱动阶段存在于驱动阶段di/dt部分产生两种效果：

• G极、D极、S极端杂散电感引起的噪声电压；

• 主要环路的噪声电压。

以下措施可以改进：

1.增加高频电容，减少环路面积

我们可以采取措施减少高频电位跳变点PCB环路面积。增加高频高压直流电容C_IP是减少PCB环路面积和高频和低频分离的有效措施。

2.合理增加磁珠抑制高频电流

额外减少di/dt，已知的电感可以添加到电路中，以抑制高频段的电流峰值和振荡。已知的电感与杂散电感串联，因此总电感值在设计师已知的电感范围内。铁氧体磁珠是一种很好的高频电流抑制器。它在预期频率范围内变成电阻，以热的形式消散噪声能量。

3 推荐测试方案

测量仪器和测量方法的正确使用和选择有助于快速定位问题的根源。调试时采用PWR2000W变频电源提供输入电压，在测试电路异常时可及时保护电路。普通测试探头容易引入额外的寄生电感，在普通探头中引起噪声反射和振荡，并将不确定因素引入测量。由我公司推出ZP1500D高压差探头的输入阻抗高达10MΩ，CMRR可达80dB以上，适合直接对MOSFET测量。ZDS4000系列示波器4000系列示波器M模拟带宽和512M存储深度，完全满足深噪声测量的要求。图5为推荐参考测试方案框图。

图5 MOSFET噪声测试方案

1、MOSFET波形图的电流测试

如图5所示，G极，S极和RCD在电路中加入铁氧体磁珠进行优化。使用电流探头。ZCP0030和ZDL测量6000示波记录仪。输入110VAC@50Hz/输出100VDC@8A优化后(通道2蓝色)的电流尖峰和振荡明显低于优化前(通道1红色)。

图6 电流尖峰优化前后对比

2、MOSFET波形图的电压试验

在MOSFET的DS极两端并510pF高压电容，测试Vgs和Vds，优化后比优化前的电压峰小30V左右，有效降低电压尖峰，有助与减少EMI。

图7 在优化电压尖峰之前

图8 优化电压尖峰后

4 小结

增加电容、磁珠和电路的关键节点MOSFET外接Cds、增大Rgon等，是降低MOSFET有效的电压尖峰和电流尖峰措施，以改善电路EMI性能。此外，合适的测量仪器设备是电源工程师快速定位的重要工具。通过科学的测量方法和有效的改进手段，可以快速形成低噪声、高功率密度电源产品。

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