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電路板開(kāi)發(fā)從源頭消除EMC
EMI問(wèn)題通常是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)結(jié)束時(shí)的最后一個(gè)主要瓶頸。建模和首次測(cè)量有助于降低風(fēng)險(xiǎn)，但是特別是在需要緊湊設(shè)計(jì)的情況下，最后一刻更改的空間很小。隨著時(shí)間的推移，所用組件的價(jià)格會(huì)隨著絕望和將其推向市場(chǎng)的壓力而成比例增加。
EMI問(wèn)題
找到解決方案后，我很少看到EMI濾波器在成本上得到優(yōu)化。時(shí)間，工程預(yù)算和風(fēng)險(xiǎn)不允許這樣做；因此，從一開(kāi)始就擁有一個(gè)良好且經(jīng)濟(jì)高效的EMI解決方案變得尤為重要。最近，我正在幫助調(diào)試帶有標(biāo)準(zhǔn)升壓PFC的3kW單相設(shè)備。該晶體管是標(biāo)準(zhǔn)的650V T0-247超結(jié)MOSFET，正在向機(jī)箱注入大量共模噪聲。通過(guò)使用標(biāo)簽為Nexperia GAN063-650W的噪聲源代替mosfet消除噪聲源是一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。本文介紹了測(cè)量和診斷方法。
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EMI測(cè)量在電源輸入端使用LISN進(jìn)行。LISN為測(cè)量以及消除低頻信號(hào)提供了定義的源阻抗。
圖1：標(biāo)準(zhǔn)LISN
圖1顯示了標(biāo)準(zhǔn)LISN。帶有100nF電容的接收器中的50Ω終端可提供30kHz的LF截止頻率。有效地消除了測(cè)量中的電源紋波，因此接收機(jī)可以看到較小的電平干擾。要查看示波器的HF干擾，必須去除主要的電源。LISN中使用的50Ω系統(tǒng)會(huì)改變系統(tǒng)并使測(cè)量值明顯失真，因此使用了高阻抗濾波器（1nF電容，到GND的電容為10k）。濾波器去除了低頻成分。在沒(méi)有明顯增加電路負(fù)載的情況下，僅可見(jiàn)HF噪聲。示波器數(shù)學(xué)通道用于計(jì)算噪聲的微分部分。（ch1-ch2）并實(shí)時(shí)了解濾鏡的效果。
測(cè)量
使用HF濾波器，可以在PFC原理圖周圍的各個(gè)節(jié)點(diǎn)處看到噪聲（圖2）。重疊的綠色和黃色跡線表示接地電壓，淺藍(lán)色跡線表示差分電壓。請(qǐng)注意，數(shù)學(xué)通道的縮放比例為2V / div和1V div。
看各種地塊；（5）輸出后，電感幾乎沒(méi)有共模噪聲（藍(lán)色）。在MOSFET（4）處，可以清楚地看到共模噪聲與MOSFET的開(kāi)關(guān)同步。曲線3顯示了濾波器應(yīng)衰減的噪聲，共模噪聲占主導(dǎo)，但差分噪聲也很大。曲線2顯示了一個(gè)濾波器級(jí)后的噪聲。標(biāo)度與圖3相同，開(kāi)關(guān)頻率共模噪聲從約1V降低了約14dB至約200mV。我們可以從過(guò)濾器階段獲得更多期望。
圖2：原理圖周圍的HF噪聲
這些圖清楚地表明噪聲是由MOSFET產(chǎn)生的（毫不奇怪?。?，但是更令人驚訝的是，大多數(shù)高頻噪聲是共模的（圖1-3）。從接地散熱片上除去漏極，證實(shí)了MOSFET外殼的電容（在20nS內(nèi)切換400V）會(huì)產(chǎn)生大多數(shù)共模噪聲。
注入散熱片的電流MOSFET接線片的面積約為245mm2。它安裝在一個(gè)100μm的隔離器上，該隔離器向散熱器產(chǎn)生約120pF的電容。在20V / nS時(shí)，注入散熱器的電流為400mA。該電流的返回部分首先是局部Y上限。忽略
電感; Y電容器上的電壓可以計(jì)算為分壓器；通過(guò)120pF和400V的突耳電容除以Y電容器（2x4n7），在Ycap上產(chǎn)生5V（134dBμV）（接近測(cè)量值）。達(dá)到65dBμV的EMC限制; 需要一個(gè)衰減約70dB的濾波器。由于Y電容值由于對(duì)地漏電流而受到限制，因此只能增加電感。在200kHz頻率下具有65dB的2級(jí)濾波器可能具有10mF和10nF的Ycap，這既大又昂貴。
較厚的隔離器（例如2mm氧化鋁）可以將電容減小10倍，但在此應(yīng)用中，將需要散熱膏，并且熱阻會(huì)大大降低。良好的EMI做法的首要原則是在可能的情況下消除源頭的噪聲產(chǎn)生器。這很容易，將冷卻片連接到源極的晶體管將消除開(kāi)關(guān)電壓電荷注入到散熱器中的現(xiàn)象。多家供應(yīng)商都提供帶有源極標(biāo)簽的TO-247封裝的GaN晶體管，帶有源極連接冷卻，韜放很好地對(duì)GaN-063-650W進(jìn)行了采樣。
GaN晶體管的修改
首先要注意的是，GaN的引腳排列與標(biāo)準(zhǔn)T0-247不同。標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的漏極在中間；GaN以源極為中心引腳。用GaN晶體管代替MOSFET; GaN腳必須彎曲，其漏極和源極必須有效交換。PTFE套管用于保證隔離。改造引線意味著GaN上的源極比平時(shí)更長(zhǎng)，并且具有更大的電感。這可能會(huì)引起開(kāi)關(guān)問(wèn)題，并可能在大電流下產(chǎn)生振蕩。這不是理想的選擇，但是可以在不重新設(shè)計(jì)電路板的情況下快速瀏覽一下。
圖3：重整Gan腿
15nC的GaN柵極電荷約為類似MOSFET的十分之一，因此柵極電阻增加到18Ω，這也意味著可以刪除額外的驅(qū)動(dòng)器級(jí)，并且可以直接從PFC控制器驅(qū)動(dòng)晶體管。
測(cè)量
圖4顯示了可比較的漏極-源極開(kāi)關(guān)波形。盡管引線彎曲，但第一個(gè)驚喜是干凈的開(kāi)關(guān)波形。關(guān)斷開(kāi)關(guān)速度（dV / dt）相似，但是GaN在關(guān)斷開(kāi)始時(shí)沒(méi)有初始的緩慢上升時(shí)間。柵極變?yōu)榈碗娖脚c開(kāi)關(guān)之間的短暫延遲是Vds <50V時(shí)小得多的輸出電容的好處。GaN的導(dǎo)通速度稍快，40V / nS是MOSFET的兩倍，關(guān)斷時(shí)的振鈴也類似。導(dǎo)通時(shí)會(huì)有更多的振鈴，考慮到晶體管如何安裝擴(kuò)展的重整引線以及很長(zhǎng)的源極引線，這不足為奇。
圖5中的EMI圖清楚地顯示了源極連接標(biāo)簽的好處。整個(gè)頻譜看起來(lái)更干凈，在170kHz時(shí)的發(fā)射降低了約10dB。測(cè)試表明，通過(guò)添加更大的x電容器可以進(jìn)一步降低170kHz的輻射，而對(duì)于MOSFET，則需要更大的Ycaps和Xcaps。與GaN 10nS相比，MOSFET的上升時(shí)間為20nS，因此GaN噪聲頻譜將具有雙截止頻率，但更重要的是實(shí)際上消除了開(kāi)關(guān)漏極至散熱器的電容。通過(guò)使用GaN消除了機(jī)架中注入的電流；我們希望機(jī)箱安靜。進(jìn)一步的研究表明，SiC二極管陰極引線的電感現(xiàn)已成為機(jī)箱中的主要噪聲注入器。陰極引線電感中的開(kāi)關(guān)電流，在標(biāo)簽上感應(yīng)出電壓。該電壓電容耦合至散熱器，并向機(jī)箱注入電流。由于此處沒(méi)有大電壓，因此二極管引線和elco之間的小緩沖器可消除大部分噪聲，而成本和功耗卻最小。典型的EMC，僅去除一個(gè)噪聲源即可發(fā)現(xiàn)更多噪聲。
圖4：開(kāi)關(guān)波形比較
圖5：EMI測(cè)量Mosfet和GaN