深入了解功率级寄生效应的特点和原理（一）

电路中的寄生效应是指在设计中没有明确考虑的元件或结构之间相互作用所产生的不良影响。这些效应可能包括电容、电感和电阻等，以及与之相关的因素。

 

在高速电路中，由于结构之间、PCB布线、管脚引线、通孔质量、焊盘到地距离、焊盘到电源平面距离、焊盘到印制线之间、材料差异、器件封装、封装引脚和印制线过长等因素的影响，这些寄生效应表现出容性、感性或阻性特性。此外，在DC/DC转换器中，半导体器件的高频开关特性也会成为主要的传导和辐射发射源。

 

在进行电磁干扰（EMI）测试时，将总噪声测量结果分解为差模（DM）和共模（CM）两个噪声分量，可以确定它们所占比例，从而简化EMI滤波器的设计过程。在高频下，共模噪声主要由CM噪声产生，其传导回路面积较大，进一步促使辐射发射的产生。

 

本文将全面介绍降压稳压器电路中的寄生元素对EMI性能和开关损耗的影响。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其最小化，并减少总体EMI信号。一种经过优化的紧凑型功率级布局通常可以降低EMI并满足相关法规要求，同时提高效率并降低解决方案的总成本。

在电源原理图中进行电路板布局时，有一个重要的步骤是准确定位高转换率电流（高 di/dt）回路，并密切关注由布局引起的寄生或杂散电感。这些电感可能会导致噪声和振铃过大，从而引起过冲和地弹反射现象。

 

下图显示了一个驱动高侧和低侧 MOSFET（分别为 Q1 和 Q2）的同步降压控制器的功率级原理图。我们以 Q1 的导通转换为例进行解释。在输入电容 CIN 提供电源的情况下，Q1 的漏极电流迅速上升到与电感电流水平相等，同时从 Q2 的源极流入漏极的电流降为零。被标记为红色阴影的区域和输入电容（标记为“1”）构成了降压稳压器的高频换向功率回路，也称为“热回路”。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。

 

图中的回路“2”和“3”都属于功率 MOSFET 的栅极回路。具体而言，回路 2 表示高侧 MOSFET 的栅极驱动器电路（由自举电容 CBOOT 提供电源）。回路 3 表示低侧 MOSFET 的栅极驱动器电路（由 VCC 提供电源）。这两个回路中，实线表示导通栅极电流路径，虚线表示关断栅极电流路径。

在解决EMI问题时，通常涉及三个主要因素：干扰源、受干扰者和耦合机制。干扰源指的是产生高dv/dt和/或di/dt噪声的设备或电路，受干扰者指易受到影响的电路（或EMI测量设备）。耦合机制可以分为导电耦合和非导电耦合。非导电耦合包括电场（E场）耦合、磁场（H场）耦合或二者的组合，称为远场电磁辐射。近场耦合通常由寄生电感和电容引起，可能对稳压器的EMI性能起到至关重要的作用，对其产生显著影响。

 

功率级寄生电感与功率MOSFET的开关行为、波形振铃以及由EMI引起的后果密切相关。图2综合显示了由元件布局、器件封装和印制电路板（PCB）布局引起的寄生元素，这些寄生元素会影响同步降压稳压器的EMI性能。

 

有效的高频电源回路电感（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））以及功率MOSFET封装电感的总和。根据预期，LLOOP与输入电容和MOSFET回路（图1中红色阴影区域）的几何布局密切相关。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的共源电感会产生两种相反的反馈电压，分别控制MOSFET栅源电压的上升和下降时间，从而降低功率回路中的di/dt。然而，这通常会增加开关损耗，因此并不是理想的解决方法。

寄生电容通常是指在高频情况下，电感、电阻、点点taptap安卓引脚等所表现出的电容特性。实际上，一个电阻可以等效为一个电容、一个电感和一个电阻串联而成。在低频情况下，这种等效并不明显，但在高频情况下，等效值会增大，不能忽略。因此，在计算中我们需要考虑到ESL（等效电感）和ESR（等效电阻）。无论是电阻、电容、电感、二极管、三极管、MOS管还是集成电路(IC)，在高频情况下我们都需要考虑它们的等效电容值和电感值。

 

公式1描述了影响EMI和开关行为的功率MOSFET的输入电容、输出电容和反向传输电容之间的关系表达式（用图2中的终端电容符号表示）。在MOSFET开关转换期间，这些寄生电容需要承受幅值较高的高频电流。

 

公式2给出了COSS（输出电容）与电压之间高度非线性相关的近似关系表达式。公式3给出了特定输入电压下的有效电荷QOSS，其中COSS-TR是与时间相关的有效输出电容，与部分新款功率MOSFET器件的数据表中所定义的内容一致。

 

图2中的另一个关键参数是体二极管DB2的反向恢复电荷（QRR），该电荷会导致Q1导通期间出现显著的电流尖峰。QRR取决于多个参数，包括恢复前的二极管正向电流、转换速度和点点taptap安卓温度等。一般来说，功率MOSFET的输出电容COSS和体二极管的输出电容QOSS会给分析和测量过程带来许多挑战。在Q1导通期间，为Q2的COSS2充电的前沿电流尖峰和为QRR2供电以恢复体二极管DB2前沿电流尖峰具有类似的曲线形状，因此常常容易混淆它们之间的关系。