整機(jī)應(yīng)用中，EMC測(cè)試是現(xiàn)在必不可少的一個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)，其中EMC產(chǎn)生的原因和功率器件的振蕩、電源紋波率等息息相關(guān)。隨著生活需求的發(fā)展，電器設(shè)備的小型化、高集成化需求日益增加，尤其在縮小電感成本空間的高頻應(yīng)用方案中，使用更小驅(qū)動(dòng)電阻會(huì)使功率器件的柵極振鈴，電壓尖峰問(wèn)題更加突出。所以解決EMC問(wèn)題或者功率器件的連續(xù)振鈴，也就成了方案優(yōu)化的關(guān)鍵，其中一項(xiàng)最有效也最簡(jiǎn)便的方式就是使用鐵氧體磁珠。

鐵氧體磁珠的基本介紹

鐵氧體磁珠本質(zhì)上是一種利用損耗來(lái)抑制高頻噪聲的元件，其專業(yè)名稱是“鐵氧體磁芯高頻干擾抑制器”。它不是簡(jiǎn)單的電感，而是一個(gè)電阻值隨頻率變化的電阻器。鐵氧體材料在高頻下具有很高的磁芯損耗（主要是渦流損耗和磁滯損耗），能將已經(jīng)轉(zhuǎn)化的磁能以熱量的形式耗散掉。磁珠的總阻抗 Z = R + jXL。在低頻時(shí)，感抗占主導(dǎo)；在特征頻率附近，損耗（電阻R）最大；超過(guò)特征頻率后，感抗和電容效應(yīng)可能導(dǎo)致阻抗下降。

圖1 鐵氧體磁珠等效模型圖

EMC噪聲的產(chǎn)生

柵極驅(qū)動(dòng)電路的噪聲問(wèn)題至關(guān)重要，它直接關(guān)系到功率器件的可靠性和系統(tǒng)EMI性能。其噪聲產(chǎn)生根源可歸結(jié)為 “高速開關(guān)動(dòng)作” 與 “電路非理想寄生參數(shù)” 之間的相互作用。

以下是系統(tǒng)的原理分析，從核心機(jī)制到具體表現(xiàn)：

機(jī)制一：柵極環(huán)路自身的噪聲（振鈴與誤觸發(fā)）

原理：

1. 寄生LC諧振：驅(qū)動(dòng)回路的走線電感（Lg, Ls） 與MOSFET的輸入電容（Ciss = Cgs + Cgd） 構(gòu)成一個(gè)LC諧振電路。

2. 激勵(lì)源：驅(qū)動(dòng)芯片輸出的陡峭上升/下降沿（本身含高頻成分）激勵(lì)該LC電路。

3. 振鈴：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電阻（Rg）的阻尼不足時(shí)，就會(huì)在柵極電壓Vgs上產(chǎn)生衰減振蕩（振鈴）。過(guò)大的振鈴可能導(dǎo)致柵極電壓越過(guò)閾值，造成器件受損失效。

機(jī)制二：功率環(huán)路與驅(qū)動(dòng)環(huán)路的耦合噪聲（米勒效應(yīng)與地彈）

原理A：通過(guò)Cgd的容性耦合（米勒效應(yīng)）

1. 在開關(guān)過(guò)程中，漏-源（或集-射）電壓Vds劇烈變化（高dV/dt）。

2. 這個(gè)變化的電壓通過(guò)柵-漏（或柵-集）寄生電容Cgd，在柵極驅(qū)動(dòng)回路中注入一個(gè)位移電流：i = Cgd * dVds/dt。

3. 此電流流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電阻Rg和寄生電感，會(huì)在柵極上產(chǎn)生一個(gè)電壓尖峰。在關(guān)斷過(guò)程中尤為危險(xiǎn)：Vds上升時(shí)的dV/dt通過(guò)Cgd產(chǎn)生一個(gè)上拉Vgs的電流，可能導(dǎo)致“米勒平臺(tái)”后的電壓凸起，如果超過(guò)閾值Vth，就會(huì)引發(fā)橋臂直通。

原理B：功率回路di/dt在源極電感上產(chǎn)生地彈

1. 功率回路（高電流、高di/dt環(huán)路）包含寄生電感（Lpower）。

2. 根據(jù)公式 V = Lpower * di/dt，功率電流的快速變化會(huì)在功率回路寄生電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

3. 關(guān)鍵點(diǎn)：MOSFET的源極引腳（對(duì)于低側(cè)驅(qū)動(dòng)）或發(fā)射極，并非理想的“地”。它與系統(tǒng)參考地之間存在寄生電感（Ls）。

4. 當(dāng)巨大的di/dt流過(guò)Ls時(shí)，會(huì)在源極S和系統(tǒng)參考地GND之間產(chǎn)生一個(gè)電壓尖峰V_Ls = Ls * di/dt。這使得驅(qū)動(dòng)芯片“看到”的源極電壓瞬間高于實(shí)際參考地。

5. 后果：驅(qū)動(dòng)芯片以自身GND為參考輸出驅(qū)動(dòng)電壓Vdrive，而MOSFET的閾值Vth是以其源極S為參考。地彈電壓V_Ls會(huì)等效于抬高了MOSFET的源極電位，導(dǎo)致實(shí)際有效的柵源電壓Vgs_eff = Vdrive - V_Ls 減小，可能引起關(guān)斷變慢；更嚴(yán)重的是，如果地彈電壓通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片的電源或地引腳耦合進(jìn)去，可能擾亂其內(nèi)部邏輯，導(dǎo)致誤動(dòng)作。

鐵氧體磁珠對(duì)EMC和柵極振蕩的抑制

如第二節(jié)所展示的內(nèi)容，鐵氧體磁珠的電阻值隨頻率變化，對(duì)發(fā)生振蕩的高頻信號(hào)有很好的抑制作用，能保留KHZ級(jí)的信號(hào)波形。相比于直接使用電阻的方式，不會(huì)增加開關(guān)損耗使功率器件發(fā)熱，使方案設(shè)計(jì)的工作頻率進(jìn)一步上升。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)：在圖2中可見，該功率器件在開關(guān)過(guò)程中柵極均有明顯的振蕩現(xiàn)象，且該功率器件VCE也有明顯的連續(xù)振蕩，該異常波形非常容易使功率器件在使用過(guò)程中發(fā)生直通甚至失效。在圖3中，通過(guò)在柵極管腳串入磁珠，可見多種振蕩均被有效抑制，一方面降低了使用過(guò)程中的EMC干擾，另一方面提升了整體應(yīng)用的可靠性。

圖2 無(wú)鐵氧體磁珠

圖3 管腳套鐵氧體磁珠

磁珠的選擇方案

鐵氧體磁珠的主要參數(shù)有：Z（總阻抗）、X（電抗分量）、R（電阻分量）以及飽和電流。

我們?cè)谶x擇鐵氧體磁珠的時(shí)候，主要關(guān)心的應(yīng)該為：1.選擇產(chǎn)品的阻抗值是否能覆蓋振蕩頻率，以及低阻抗是否能覆蓋信號(hào)頻率。2.飽和電流是否能覆蓋柵極電流峰值。

圖4 ZXR阻抗示例圖

在大多數(shù)情況下，功率器件所表現(xiàn)的振蕩頻率為10MHZ-50MHZ，在測(cè)試EMC時(shí)功率器件發(fā)出的噪聲頻率為40MHZ-60MHZ，而應(yīng)用頻率一般在百KHZ內(nèi)。柵極電流峰值由選擇的驅(qū)動(dòng)IC和功率器件共同決定，市面上常見的驅(qū)動(dòng)IC峰值電流普遍能達(dá)到2A甚至6A，對(duì)于一般大電流的功率器件來(lái)說(shuō)，充放電的峰值電流也能接近500mA。

所以在選擇鐵氧體磁珠的時(shí)候，期望的產(chǎn)品應(yīng)表現(xiàn)為1MHZ附近無(wú)限趨近于0，但是在10MHZ以上時(shí)迅速上升，飽和電流應(yīng)取決于設(shè)計(jì)方案的驅(qū)動(dòng)IC和功率器件大小，建議值在1A以上。