降压稳压器电路中影响EMI性能和开关损耗的感性和容性寄生元素

       DC/DC 转换器中半导体器件的高频开关特性是主要的传导和辐射发射源。本文章系列 [1] 的第 2 部分回顾了 DC/DC 转换器的差模 (DM) 和共模 (CM) 传导噪声干扰。在电磁干扰 (EMI) 测试期间，如果将总噪声测量结果细分为 DM 和 CM 噪声分量，可以确定 DM 和 CM 两种噪声各自所占的比例，从而简化 EMI 滤波器的设计流程。高频下的传导发射主要由 CM 噪声产生，该噪声的传导回路面积较大，进一步推动辐射发射的产生。
        在第 3 部分中，我将全面介绍降压稳压器电路中影响 EMI 性能和开关损耗的感性和容性寄生元素。通过了解相关电路寄生效应的影响程度，可以采取适当的措施将影响降至最低并减少总体 EMI 信号。一般来说，采用一种经过优化的紧凑型功率级布局可以降低 EMI，从而符合相关法规，还可以提高效率并降低解决方案的总成本。
        检验具有高转换率电流的关键回路
        根据电源原理图进行电路板布局时，其中一个重要环节是准确找到高转换率电流（高 di/dt）回路，同时密切关注布局引起的寄生或杂散电感。这类电感会产生过大的噪声和振铃，导致过冲和地弹反射。图 1 中的功率级原理图显示了一个驱动高侧和低侧 MOSFET（分别为 Q1 和 Q2）的同步降压控制器。
        以 Q1 的导通转换为例。在输入电容 CIN 供电的情况下，Q1 的漏极电流迅速上升至电感电流水平，与此同时，从 Q2 的源极流入漏极的电流降为零。MOSFET 中红色阴影标记的回路和输入电容（图 1 中标记为“1”）是降压稳压器的高频换向功率回路或“热”回路 [2]，[3]。功率回路承载着幅值和 di/dt 相对较高的高频电流，特别是在 MOSFET 开关期间。

        图 2：降压功率级和栅极驱动器的“剖析原理图”（包含感性和容性寄生元素）。
        有效高频电源回路电感 (LLOOP) 是总漏极电感 (LD)、共源电感 (LS)（即输入电容和 PCB 走线的等效串联电感 (ESL)）和功率 MOSFET 的封装电感之和。按照预期，LLOOP 与输入电容 MOSFET 回路（图 1 中的红色阴影区域）的几何形状布局密切相关 [5]，[6]，[7]。
        与此同时，栅极回路的自感 LG 由 MOSFET 封装和 PCB 走线共同产生。从图 2 中可以看出，高侧 MOSFET Q1 的共源电感同时存在于电源和栅极回路中。Q1 的共源电感产生效果相反的两种反馈电压，分别控制 MOSFET 栅源电压的上升和下降时间，因此降低功率回路中的 di/dt。然而，这样通常会增加开关损耗，因此并非理想方法 [8]，[9]。
        功率级寄生电容
        公式 1 为影响 EMI 和开关行为的功率 MOSFET 输入电容、输出电容和反向传输电容三者之间的关系表达式（以图 2 中的终端电容符号表示）。在 MOSFET 开关转换期间，这种寄生电容需要幅值较高的高频电流。
                       (2)


               
        图 3：开关节点电压梯形波形及其频谱包络（受脉宽和上升/下降时间影响）。
        一般来说，电感 LLOOP 会增加 MOSFET 漏源峰值电压尖峰，并且还会加剧开关节点的电压振铃，影响 50MHz 至 200MHz 范围内的宽带 EMI。在这种情况下，最大限度缩减功率回路的有效长度和闭合区域显得至关重要。这样不仅可减小寄生电感，而且还可以减少环形天线结构发出的磁耦合辐射能量，从而实现磁场自消除。
        稳压器输入端基于回路电感比率发生传导噪声耦合，而输入电容 ESL 决定滤波要求。减小 LLOOP 会增加输入滤波器的衰减要求。幸运的是，如果降压输出电感的自谐振频率 (SRF) 较高，传导至输出的噪声可降至最低。换言之，电感应具有较低的有效并联电容 (EPC)，以便在从开关节点到 VOUT 的网络中获得较高的传输阻抗。此外，还会通过低阻抗输出电容对输出噪声进行滤波。
        等效谐振电路
        根据图 4 所示的同步降压稳压器时域开关节点的电压波形可知，MOSFET 开关期间传输的寄生能量会激发 RLC 谐振。右侧的简化等效电路用于分析 Q1 导通和关断时的开关行为。从电压波形中可以看出，上升沿的开关节点电压明显超出 VIN，而下降沿的开关节点电压明显低于接地端 (GND)。
        振荡幅值取决于部分电感在回路内的分布，回路的有效交流电阻会抑制随后产生的振铃。这不仅为 MOSFET 和栅极驱动器提供电压应力，还会影响宽带辐射 EMI 的中心频率。

        图 4：MOSFET 导通和关断开关转换期间的同步降压开关节点电压波形及等效 RLC 电路。
        根据图 4 中的上升沿电压过冲计算可得，振铃周期为 6.25ns，对应的谐振频率为 160MHz。此外，将一个近场 H 探头直接放在开关回路区域上方也可以识别该频率分量。利用计算型 EM 场仿真工具 [12]，可以推导出与高频谐振和辐射发射相关的部分回路电感值。不过，还有一种更简单的方法。这种方法需要测量谐振周期 TRing1 并从 MOSFET 数据表中获取输入电压工作点的 COSS2，然后利用公式 4 计算总回路电感。