【導讀】開關電源作為當下電控係統中的基礎、主流的裝置
，被廣泛應用於計算機
、通信

、電子設備等諸多應用，且由於其不存在替代設備
，因此市場規模十分龐大。隨著“低碳時代”的到來
，電子設備日趨小型化、輕薄化
、節能化，開關電源的市場規模也迎來了進一步的增長。

全球電源市場規模預測

根據Markets and Research發布的數據顯示
，全球電源市場規模將從2018年的225億美元增長到2023年的349.2億美元
，2018-2023年的複合年增長率為6.7%。

圖1（圖源：中商產業研究院）

影響開關電源的因素

眾所周知，開關電源是將功率半導體器件作為開關元件並通過周期性通斷開關，控製開關元件的占空比來調整輸出電壓。

但由於開關電源瞬態響應較差，易產生電磁幹擾（EMI）信號，而這些EMI信號經過傳導和輻射
，不僅會汙染電磁環境

，還會對通信設備和電子儀器造成幹擾。更重要的是，隨著開關電源的體積越來越小、功率密度越來越大，EMI控製問題愈發成為限製其使用的關鍵因素。

EMI為何如此重要
？

EMI全稱為Electro Magnetic lnterference，是一種電子係統或分係統受非預期的電磁擾動造成的性能損害，其產生的條件和傳播途徑主要由幹擾源、耦合途徑、敏感設備三個基本要素組成。

何為幹擾源
？顧名思義就是產生電磁幹擾的源頭。一般分為內部幹擾源和外部幹擾源，其中內部幹擾源包括開關電路、整流電路的整流二極管、雜散參數，外部幹擾源包括電源幹擾和雷電幹擾。

那幹擾源又是如何產生的
？以開關電路為例
，開關電路是開關電源的核心，同時也是主要幹擾源之一，由開關管和高頻變壓器組成。

簡單地說
，由於開關管及其散熱片與外殼和電源內部的引線間存在分布電容
，其產生的du/dt具(ju)有(you)較(jiao)大(da)幅(fu)度(du)的(de)脈(mai)衝(chong)
，頻(pin)帶(dai)較(jiao)寬(kuan)且(qie)諧(xie)波(bo)豐(feng)富(fu)。當(dang)開(kai)關(guan)管(guan)負(fu)載(zai)為(wei)高(gao)頻(pin)變(bian)壓(ya)器(qi)初(chu)級(ji)線(xian)圈(quan)時(shi)屬(shu)於(yu)感(gan)性(xing)負(fu)載(zai)，此(ci)時(shi)原(yuan)來(lai)導(dao)通(tong)的(de)開(kai)關(guan)管(guan)關(guan)斷(duan)，高(gao)頻(pin)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)漏(lou)感(gan)產(chan)生(sheng)了(le)反(fan)電(dian)勢(shi)E＝-Ldi/dt，其(qi)值(zhi)與(yu)集(ji)電(dian)極(ji)的(de)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)率(lv)成(cheng)正(zheng)比(bi)，與(yu)漏(lou)感(gan)成(cheng)正(zheng)比(bi)，迭(die)加(jia)在(zai)關(guan)斷(duan)電(dian)壓(ya)上(shang)，形(xing)成(cheng)關(guan)斷(duan)電(dian)壓(ya)尖(jian)峰(feng)，從(cong)而(er)形(xing)成(cheng)傳(chuan)導(dao)幹(gan)擾(rao)。當(dang)然(ran)不(bu)止(zhi)開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)，上(shang)述(shu)提(ti)到(dao)的(de)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)的(de)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)

、雜散參數等都是導致EMI的重要原因。

EMI問wen題ti說shuo大da不bu大da，但dan如ru果guo不bu能neng及ji時shi發fa現xian並bing解jie決jue
，後hou期qi想xiang整zheng改gai就jiu要yao額e外wai耗hao費fei大da量liang時shi間jian和he資zi金jin成cheng本ben。特te別bie對dui於yu部bu分fen中zhong小xiao型xing企qi業ye來lai說shuo，異yi常chang繁fan瑣suo的deEMI整改可能會帶來BOM成本等不菲的開銷，更甚者會阻礙後期的設計進度。

因此，我們必須提高對EMI問題的重視程度
，在設計之初就考慮EMI問題，而這關鍵之處就在於必須從源頭入手解決，本篇文章就教你如何搞定開關電源EMI。

四招搞定開關電源EMI

#01 優化布局布線中的電流回路

在開關電源設計中，PCB設計是關鍵一步

，它對電源的性能、EMC要求、可靠性、可生產性都會產生很大影響。

一般來說
，EMI線性正比於電流
、電流回路麵積以及頻率的平方即：EMI=K*I*S*F2。I是電流，S是回路麵積，F是頻率，Kshiyudianlubancailiaoheqitayinsuyouguandeyigechangshu。gaiguanxishibiaomingjianxiaotonglumianjishijianxiaofushesaoraodeguanjian，huanjuhuashuo，jiushikaiguandianyuandeyuanqijianyaobicijinmipailie。

因此，在PCB設計過程中，如果使用短而寬的PCB走線，就可以降低壓降並極大限度地降低電感；同時通過使用高頻開關優化元件布局。而對電源線執行此操作的一種好方法是將電源線和返回路徑彼此重疊放置在PCB的相鄰層上。

#02 控製器件開關速度

在開關電源設計中為提高功率密度，通常會選擇開關頻率更高的MOSFET，通過提高開關速度顯著減小輸出濾波器體積
，從而在單位體積內實現更高的功率等級。

但隨著開關速度的提高，功率開關管通/斷時的du/dt也會隨之升高，而這恰恰就是導致EMI的主要原因之一。不僅如此，高du/dt還會對電機繞組的絕緣產生不利影響，加速漆包線
、絕緣環等絕緣件的老化
，對電機的絕緣設計帶來了新的挑戰。因此，控製器件開關速度進而減小功率開關管通/斷的du/dt也成為了抑製開關電源幹擾的一項重要措施。

圖2：MOSFET等效電路

（圖源：Mouser）

由此來看，如何選擇MOSFET也是關鍵一步，貿澤電子在售的來自安森美(onsemi)的SuperFET® V MOSFET就是很好的選擇。

SuperFET是由Fairchild Semiconductor（2015年已被安森美收購）開發的一項針對RDS(ON)降低而增加額外製造步驟的技術，SuperFET 器件可在小晶片尺寸，甚至在擊穿電壓達到600V的情況下，實現理想的低RDS(ON)。換句話說，采用SupeRFET技術的器件封裝尺寸能實現大幅減小。

2016年，Fairchild Semiconductor就推出了SuperFET III MOSFET係列。此次推薦的SuperFET V 是安森美專屬的新一代高電壓MOSFET，采用先進的電荷平衡機製
，實現了出色的低導通電阻和更低門極電荷性能。作為第五代高壓超級結（SJ）MOSFET
，安森美的這款MOSFET具有出色的品質因數（FOM），不僅提高了重負載效率，還提高了輕負載效率。

圖3：onsemi SuperFET V MOSFET

（圖源：Mouser）

據了解，該係列器件有三個產品組，分別是FAST
、Easy Drive和FRFET，可在各種不同的應用和拓撲結構中提供優於同類的性能
，其中：

FAST

FAST版本在硬開關拓撲結構（如高端PFC）中提供極高能效，並經過優化以提供更低的門極電荷（Qg）和EOSS損耗
，實現快速開關。

Easy Drive

Easy Drive版本適用於硬開關和軟開關拓撲結構

，包含一個內置門極電阻（Rg）及經優化的內置電容。

FRFET

FRFET版本的優勢是快速體二極管，並提供降低的Qrr和Trr
，適用於軟開關拓撲結構

，如移相全橋（PSFB）和LLC。

以Easy Drive來(lai)說(shuo)，其(qi)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)電(dian)荷(he)平(ping)衡(heng)技(ji)術(shu)實(shi)現(xian)低(di)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)
，以(yi)及(ji)更(geng)低(di)門(men)極(ji)電(dian)荷(he)方(fang)麵(mian)的(de)出(chu)色(se)性(xing)能(neng)。而(er)這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)專(zhuan)用(yong)於(yu)極(ji)大(da)程(cheng)度(du)降(jiang)低(di)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)，提(ti)供(gong)出(chu)色(se)的(de)開(kai)關(guan)性(xing)能(neng)
，並(bing)且(qie)可(ke)以(yi)承(cheng)受(shou)極(ji)端(duan)dv/dt速率，進而有助於管理EMI問題
，實現更輕鬆的電源設計。

除了SuperFET V係列外

，貿澤電子在售的還有安森美的另一款名叫M3S 1200V SiC MOSFET。該係列MOSFET以碳化矽為材料
，優化用於快速開關應用。同時M3S具有低開關損耗
，采用TO247-4LD封裝，可實現低公共源電感。

圖4：M3S 1200V SiC MOSFET

（圖源：Mouser）

該係列在使用18V柵極驅動器驅動時具有極優良的性能，但也適用於15V柵極驅動器，在提高功率密度的同時還能減少EON損失，可以應用於交直流轉換、直流-交流轉換、DC-DC轉換等多個方麵。

#03 減少寄生參數影響

在EMI的頻率範圍內
，常用的無源器件都不再被認為是理想的，它們的寄生參數嚴重影響著其高頻特性。

從理論上來講
，寄生參數的提取精確度是通過仿真有效預測EMI水shui平ping的de關guan鍵jian。雖sui然ran這zhe對dui於yu結jie構gou簡jian單dan的de元yuan件jian來lai說shuo是shi很hen容rong易yi計ji算suan的de，但dan是shi對dui於yu某mou些xie結jie構gou複fu雜za的de元yuan件jian，例li如ru多duo層ceng板ban和he直zhi流liu母mu線xian等deng來lai說shuo，並bing不bu能neng輕qing易yi得de到dao。

因此，在選取元件時需要盡量選取寄生參數影響小的元件，比如電容的ESR和ESL
、電感的寄生電容等要盡量小。此外，在設計濾波器的時候，也要考慮到PCB寄生參數對濾波器阻抗的影響，畢竟其本質也是增大對幹擾的阻抗，使幹擾無法通過傳播路徑。

#04 對敏感電路進行保護

開關電源的主要電路是由輸入電磁幹擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路
、PWM控製器電路
、輸出整流濾波電路組成，而輔助電路包括了輸入過欠壓保護電路
、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。

常見的電源保護方法包括防浪湧軟啟動電路；過壓
、欠壓及過熱保護電路；缺相保護電路
；短路保護。下圖就是典型的輸入EMI抑製電路。當電網受到雷擊時，產生高壓經輸入線導入開關電源設備時
，由FS1
、ZNR1

、RTH1組成防雷浪湧電路進行保護。

圖5：輸入EMI濾波電路圖

（圖源：Mouser）

R1
、R2、C2、C4、LF1、LF2組成的π型xing濾lv波bo電dian路lu，是shi輸shu入ru濾lv波bo電dian路lu，主zhu要yao是shi對dui電dian網wang串chuan入ru的de電dian磁ci噪zao聲sheng進jin行xing抑yi製zhi，防fang止zhi對dui開kai關guan電dian源yuan幹gan擾rao，同tong時shi也ye抑yi製zhi開kai關guan電dian源yuan內nei部bu產chan生sheng的de高gao頻pin噪zao聲sheng幹gan擾rao電dian網wang
，弱ruo化hua電dian網wang的de電dian磁ci汙wu染ran。

由此可見
，對敏感電路的保護也是解決EMI問題的不二選擇，而這就對器件的保護功能提出了要求。以Monolithic Power Systems（MPS）的單片電源係統MP44019 CrM/DCM多模式PFC控製器為例，這款控製器使用極少的外部組件提供簡化的高性能有源功率因數校正，並且提供非常低的電源電流，可實現低於50mW的低待機功耗。

圖6：MP44019 CrM/DCM多模式PFC控製器

（圖源：MPS官網）

更重要的是，MP44019集多重保護功能於一體，包括過壓保護（OVP）
、二次過壓保護（OVP2）

、過流限製（OCL）、過流保護（OCP）
、欠壓保護（UVP）、 in（BI）和掉電（BO）
、VCC欠壓鎖定（UVLO）和過熱保護（OTP）。

該器件通常可應用於AC-DC轉換
、DC-AC轉換以及DC-DC轉換等方麵，並能在輕負荷下使用死區擴展技術來降低開關頻率。此外，其在非連續傳導模式（DCM）中
，與傳統的恒定準時控製（COT）相比
，更是采用了可變準時控製來降低總諧波失真（THD）。

圖7：MP44019控製器典型應用電路圖

（圖源：Mouser）

EMI問題不可小覷

當前技術日新月異，隨著人工智能

、醫療
、新能源、qichedianzidengxinxingxingyedekuaisufazhan

，kaiguandianyuandexuqiuyejiangchengxiankuaisuzengchangshitou。xunmengzengshibeihoushixiayouqiyeduikaiguandianyuantichudegengweikekedejishuyaoqiu。gaoxiaolv、高功率密度，以及模塊及整體係統工作的可靠性及穩定性都將會成為開關電源的關鍵要素，在此背景下
，解決EMI控製問題勢在必行
，而上述四招技巧就是“製勝法寶”。

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