電路板開發從源頭消除EMC

2021-03-03

EMI問題通常是產品開發結束時的最后一個主要瓶頸。建模和首次測量有助于降低風險，但是特別是在需要緊湊設計的情況下，最后一刻更改的空間很小。隨著時間的推移，所用組件的價格會隨著絕望和將其推向市場的壓力而成比例增加。

EMI問題

找到解決方案后，我很少看到EMI濾波器在成本上得到優化。時間，工程預算和風險不允許這樣做；因此，從一開始就擁有一個良好且經濟高效的EMI解決方案變得尤為重要。最近，我正在幫助調試帶有標準升壓PFC的3kW單相設備。該晶體管是標準的650V T0-247超結MOSFET，正在向機箱注入大量共模噪聲。通過使用標簽為Nexperia GAN063-650W的噪聲源代替mosfet消除噪聲源是一種簡單且經濟高效的解決方案。本文介紹了測量和診斷方法。 

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EMI測量在電源輸入端使用LISN進行。LISN為測量以及消除低頻信號提供了定義的源阻抗。 

圖1：標準LISN

圖1顯示了標準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。有效地消除了測量中的電源紋波，因此接收機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系統會改變系統并使測量值明顯失真，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。在沒有明顯增加電路負載的情況下，僅可見HF噪聲。示波器數學通道用于計算噪聲的微分部分。（ch1-ch2）并實時了解濾鏡的效果。 

測量

使用HF濾波器，可以在PFC原理圖周圍的各個節點處看到噪聲（圖2）。重疊的綠色和黃色跡線表示接地電壓，淺藍色跡線表示差分電壓。請注意，數學通道的縮放比例為2V / div和1V div。

看各種地塊；（5）輸出后，電感幾乎沒有共模噪聲（藍色）。在MOSFET（4）處，可以清楚地看到共模噪聲與MOSFET的開關同步。曲線3顯示了濾波器應衰減的噪聲，共模噪聲占主導，但差分噪聲也很大。曲線2顯示了一個濾波器級后的噪聲。標度與圖3相同，開關頻率共模噪聲從約1V降低了約14dB至約200mV。我們可以從過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產生的（毫不奇怪！），但是更令人驚訝的是，大多數高頻噪聲是共模的（圖1-3）。從接地散熱片上除去漏極，證實了MOSFET外殼的電容（在20nS內切換400V）會產生大多數共模噪聲。

注入散熱片的電流MOSFET接線片的面積約為245mm2。它安裝在一個100μm的隔離器上，該隔離器向散熱器產生約120pF的電容。在20V / nS時，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算為分壓器；通過120pF和400V的突耳電容除以Y電容器（2x4n7），在Ycap上產生5V（134dBμV）（接近測量值）。達到65dBμV的EMC限制; 需要一個衰減約70dB的濾波器。由于Y電容值由于對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，但在此應用中，將需要散熱膏，并且熱阻會大大降低。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生器。這很容易，將冷卻片連接到源極的晶體管將消除開關電壓電荷注入到散熱器中的現象。多家供應商都提供帶有源極標簽的TO-247封裝的GaN晶體管，帶有源極連接冷卻，韜放很好地對GaN-063-650W進行了采樣。

GaN晶體管的修改

首先要注意的是，GaN的引腳排列與標準T0-247不同。標準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上的源極比平時更長，并且具有更大的電感。這可能會引起開關問題，并可能在大電流下產生振蕩。這不是理想的選擇，但是可以在不重新設計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動器級，并且可以直接從PFC控制器驅動晶體管。 

測量

圖4顯示了可比較的漏極-源極開關波形。盡管引線彎曲，但第一個驚喜是干凈的開關波形。關斷開關速度（dV / dt）相似，但是GaN在關斷開始時沒有初始的緩慢上升時間。柵極變為低電平與開關之間的短暫延遲是Vds <50V時小得多的輸出電容的好處。GaN的導通速度稍快，40V / nS是MOSFET的兩倍，關斷時的振鈴也類似。導通時會有更多的振鈴，考慮到晶體管如何安裝擴展的重整引線以及很長的源極引線，這不足為奇。

圖5中的EMI圖清楚地顯示了源極連接標簽的好處。整個頻譜看起來更干凈，在170kHz時的發射降低了約10dB。測試表明，通過添加更大的x電容器可以進一步降低170kHz的輻射，而對于MOSFET，則需要更大的Ycaps和Xcaps。與GaN 10nS相比，MOSFET的上升時間為20nS，因此GaN噪聲頻譜將具有雙截止頻率，但更重要的是實際上消除了開關漏極至散熱器的電容。通過使用GaN消除了機架中注入的電流；我們希望機箱安靜。進一步的研究表明，SiC二極管陰極引線的電感現已成為機箱中的主要噪聲注入器。陰極引線電感中的開關電流，在標簽上感應出電壓。該電壓電容耦合至散熱器，并向機箱注入電流。由于此處沒有大電壓，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，僅去除一個噪聲源即可發現更多噪聲。

圖4：開關波形比較

圖5：EMI測量Mosfet和GaN