电路板开发从源头消除EMC

2021-03-03

EMI问题通常是产品开发结束时的最后一个主要瓶颈。建模和首次测量有助于降低风险，但是特别是在需要紧凑设计的情况下，最后一刻更改的空间很小。随着时间的推移，所用组件的价格会随着绝望和将其推向市场的压力而成比例增加。

EMI问题

找到解决方案后，我很少看到EMI滤波器在成本上得到优化。时间，工程预算和风险不允许这样做；因此，从一开始就拥有一个良好且经济高效的EMI解决方案变得尤为重要。最近，我正在帮助调试带有标准升压PFC的3kW单相设备。该晶体管是标准的650V T0-247超结MOSFET，正在向机箱注入大量共模噪声。通过使用标签为Nexperia GAN063-650W的噪声源代替mosfet消除噪声源是一种简单且经济高效的解决方案。本文介绍了测量和诊断方法。 

生命科学网

EMI测量在电源输入端使用LISN进行。LISN为测量以及消除低频信号提供了定义的源阻抗。 

图1：标准LISN

图1显示了标准LISN。带有100nF电容的接收器中的50Ω终端可提供30kHz的LF截止频率。有效地消除了测量中的电源纹波，因此接收机可以看到较小的电平干扰。要查看示波器的HF干扰，必须去除主要的电源。LISN中使用的50Ω系统会改变系统并使测量值明显失真，因此使用了高阻抗滤波器（1nF电容，到GND的电容为10k）。滤波器去除了低频成分。在没有明显增加电路负载的情况下，仅可见HF噪声。示波器数学通道用于计算噪声的微分部分。（ch1-ch2）并实时了解滤镜的效果。 

测量

使用HF滤波器，可以在PFC原理图周围的各个节点处看到噪声（图2）。重叠的绿色和黄色迹线表示接地电压，浅蓝色迹线表示差分电压。请注意，数学通道的缩放比例为2V / div和1V div。

看各种地块；（5）输出后，电感几乎没有共模噪声（蓝色）。在MOSFET（4）处，可以清楚地看到共模噪声与MOSFET的开关同步。曲线3显示了滤波器应衰减的噪声，共模噪声占主导，但差分噪声也很大。曲线2显示了一个滤波器级后的噪声。标度与图3相同，开关频率共模噪声从约1V降低了约14dB至约200mV。我们可以从过滤器阶段获得更多期望。

图2：原理图周围的HF噪声

这些图清楚地表明噪声是由MOSFET产生的（毫不奇怪！），但是更令人惊讶的是，大多数高频噪声是共模的（图1-3）。从接地散热片上除去漏极，证实了MOSFET外壳的电容（在20nS内切换400V）会产生大多数共模噪声。

注入散热片的电流MOSFET接线片的面积约为245mm²。它安装在一个100μm的隔离器上，该隔离器向散热器产生约120pF的电容。在20V / nS时，注入散热器的电流为400mA。该电流的返回部分首先是局部Y上限。忽略

电感; Y电容器上的电压可以计算为分压器；通过120pF和400V的突耳电容除以Y电容器（2x4n7），在Ycap上产生5V（134dBμV）（接近测量值）。达到65dBμV的EMC限制; 需要一个衰减约70dB的滤波器。由于Y电容值由于对地漏电流而受到限制，因此只能增加电感。在200kHz频率下具有65dB的2级滤波器可能具有10mF和10nF的Ycap，这既大又昂贵。

较厚的隔离器（例如2mm氧化铝）可以将电容减小10倍，但在此应用中，将需要散热膏，并且热阻会大大降低。良好的EMI做法的首要原则是在可能的情况下消除源头的噪声产生器。这很容易，将冷却片连接到源极的晶体管将消除开关电压电荷注入到散热器中的现象。多家供应商都提供带有源极标签的TO-247封装的GaN晶体管，带有源极连接冷却，韬放很好地对GaN-063-650W进行了采样。

GaN晶体管的修改

首先要注意的是，GaN的引脚排列与标准T0-247不同。标准MOSFET的漏极在中间；GaN以源极为中心引脚。用GaN晶体管代替MOSFET; GaN脚必须弯曲，其漏极和源极必须有效交换。PTFE套管用于保证隔离。改造引线意味着GaN上的源极比平时更长，并且具有更大的电感。这可能会引起开关问题，并可能在大电流下产生振荡。这不是理想的选择，但是可以在不重新设计电路板的情况下快速浏览一下。 

图3：重整Gan腿

15nC的GaN栅极电荷约为类似MOSFET的十分之一，因此栅极电阻增加到18Ω，这也意味着可以删除额外的驱动器级，并且可以直接从PFC控制器驱动晶体管。 

测量

图4显示了可比较的漏极-源极开关波形。尽管引线弯曲，但第一个惊喜是干净的开关波形。关断开关速度（dV / dt）相似，但是GaN在关断开始时没有初始的缓慢上升时间。栅极变为低电平与开关之间的短暂延迟是Vds <50V时小得多的输出电容的好处。GaN的导通速度稍快，40V / nS是MOSFET的两倍，关断时的振铃也类似。导通时会有更多的振铃，考虑到晶体管如何安装扩展的重整引线以及很长的源极引线，这不足为奇。

图5中的EMI图清楚地显示了源极连接标签的好处。整个频谱看起来更干净，在170kHz时的发射降低了约10dB。测试表明，通过添加更大的x电容器可以进一步降低170kHz的辐射，而对于MOSFET，则需要更大的Ycaps和Xcaps。与GaN 10nS相比，MOSFET的上升时间为20nS，因此GaN噪声频谱将具有双截止频率，但更重要的是实际上消除了开关漏极至散热器的电容。通过使用GaN消除了机架中注入的电流；我们希望机箱安静。进一步的研究表明，SiC二极管阴极引线的电感现已成为机箱中的主要噪声注入器。阴极引线电感中的开关电流，在标签上感应出电压。该电压电容耦合至散热器，并向机箱注入电流。由于此处没有大电压，因此二极管引线和elco之间的小缓冲器可消除大部分噪声，而成本和功耗却最小。典型的EMC，仅去除一个噪声源即可发现更多噪声。

图4：开关波形比较

图5：EMI测量Mosfet和GaN