有时，当MOSFET被具有看似相同参数的第二来源器件替换时，以前符合要求的产品可能无法通过EMC测试
 
作者：Nexperia公司Steven Waterhouse
 
使用电子元件构建的设备不可避免地会产生电磁干扰（EMI）形式的噪声，其中MOSFET等开关元件是最大的贡献者。产生的电磁干扰水平不得超过为应用指定的值，但不幸的是，对于设备设计师来说，在设计周期的后期对成品进行电磁兼容性（EMC）测试之前，无法准确确定产生的发射水平。在此阶段未能达到指定水平可能需要重新设计以包括EMI抑制电路，这可能会增加额外成本并进一步推迟上市时间。
即使产品通过了EMC测试，如果由于供应限制或其他原因，在制造过程中使用第二来源组件，也可能会出现进一步的复杂情况。这是因为即使两个MOSFET的数据表规格几乎相同，但在将其安装在应用中之前，也无法完全评估其噪声性能。这意味着，将单个MOSFET替换为来自不同制造商的看似相同的替代品的简单行为，以前符合要求的产品可能不再通过EMC测试。
本文回顾了电子元件产生的EMI类型，以及设计人员为提高设备通过EMC测试的可能性而使用的典型方法。它还展示了Nexperia的EMC优化MOSFET的测量结果，展示了它们如何降低对EMI抑制电路的要求，同时为新的和现有的工业应用的设计人员提供了信心，使他们的设备能够成功通过EMC测试。
 
EMI——类型、来源和标准
现代工业设备，如电机驱动器，在快速开关时间内打开和关闭大电流。这些高频电压和电流波形具有产生大量能量的锐边，这会导致其输出信号中的振铃，使其成为电磁干扰的重要来源。传导和辐射两种类型的EMI发射。
传导发射在电线和迹线上进行，但由于这种噪声局限于电路中的端子或连接器，因此实施良好的电路板布局和滤波器设计有助于在设计过程的早期阶段满足传导发射要求。
另一方面，辐射发射更难管理，因为PCB上的所有载流元件都会辐射电磁场。这意味着电路板上的每个迹线都像天线一样，铜平面的行为就像谐振器。
除理想正弦波或直流电压外的所有信号都会在信号频谱中产生噪声。即使经过精心设计，设计师也只能在进行EMC测试后才能充分了解辐射发射的全部效果，不幸的是，辐射发射测试只能在设计完成后才能进行。
CISPR 11是工业、科学和医疗（ISM）射频（RF）应用的EMI国际产品标准。此外，一些工业终端设备具有CISPR 11中引用的专用系统级EMC标准。例如，IEC 61800-3适用于可调速电机驱动系统。不同地区也有自己的标准，如适用于欧洲、中东和非洲（EMEA）的CE标志，美洲的FCC/UL和中国的CCC。
 
减轻EMI
EMI不能完全消除，但可以衰减到不会干扰其他设备的水平。滤波可以通过降低某些频率下的信号强度来帮助减轻EMI的影响。添加金属和磁屏蔽可以降低一些辐射发射，而铁氧体磁珠有助于减少PCB迹线上的传导发射。
对于MOSFET，产生的EMI水平取决于所用器件的特性，包括其开关特性和输出网络限制尖峰并为其产生的谐波提供阻尼的能力。一些设计人员选择在每个开关器件上包括一个外部缓冲电路，以提高EMC性能，但这些通常是特定于器件的，这意味着如果使用替代（例如第二源极）MOSFET，它们通常不会有效。
有时，设计人员选择使用R_DSon值较低的MOSFET，试图减缓开关速度并吸收过多的振铃，但这些MOSFET通常更昂贵，从而增加了成本，并可能无意中影响产品性能的其他方面。
 
EMC优化的MOSFET
Nexperia的NextPowerS3 40 V MOSFET基于“SchottkyPlus”技术，使其能够以低尖峰提供高效率，与标准器件相比，这些功能有助于将EMC性能提高6 dB。这使得它们特别适合使用快速开关频率的高效应用，在这种应用中，它们可以通过减少设计缓冲电路或使用替代的过度工程MOSFET来降低成本。
Nexperia专注于平衡其器件的动态特性与提高其EMC性能所需的增加阻尼。除了是新设计的绝佳选择外，这些MOSFET即使安装在具有次优板布局的板上，也能提供卓越的EMC性能，使其成为现有设计的理想替代品。图1显示了Nexperia的Trinity三相电机控制板，该板具有NextPowerS3产品组合中的PSMN3R5-40YSB MOSFET，以及基于非EMC优化设备的控制器，该控制器在比较测试中用作参考控制。


图1：Nexperia的三相电机控制板和现场探头
 
图2以图形方式显示了使用该板进行的测试结果，显示与对照器件相比，它们在125至150 MHz的频率范围内平均改善了约6-8dB的鼻底，在某些频率下改善了12dB。


图2：NextPowerS3 40V MOSFET的辐射发射与控制MOSFET对比
 
图3显示了使用CISPR25线路阻抗稳定网络（LISN）对安装在DC1619A评估板上的MOSFET进行传导发射比较测试的结果，该评估板具有可调工作频率的LT3845AEFE高压同步电流模式降压控制器。出于测试目的，从该板上移除了缓冲电路，该板也被设计为具有最佳的EMC布局。尽管有这些改进，但使用PSMN3R5-40YSB MOSFET实现的整体EMC改进为1.65 dB，比控制器件的EMC性能有了显著提高。
 
 
图3：在电源评估板上比较传导辐射
 
图4显示，在高电流双脉冲测试（HCDP）期间，与控制器件相比，NextPowerS3 MOSFET的阻尼和尖峰抑制提高了17%，提供了符合此应用目标值的整体EMC性能。
 

图4：HCDP测试期间的阻尼系数显示尖峰抑制
 
 
 
结论
电子产品产生的电磁干扰水平不得超过其应用规定的值，但不幸的是，在设计周期的后期进行电磁兼容性（EMC）测试之前，无法准确确定产生的发射水平。然而，通过简单地用具有看似相同参数的第二个源极器件替换MOSFET，以前兼容的产品可能会意外地无法通过EMC测试。
为了降低这种情况发生的可能性，Nexperia开发了NextPowerS3系列EMC优化的MOSFET，设计人员可以放心地将其用作主要或次要来源，以帮助他们的设计通过EMC测试，而不需要额外的缓冲电路。
这些产品有R_DSon和_Dmax值可供选择，并采用100%夹焊LFPAK56封装。该封装具有高板级可靠性、出色的热性能，并且与所有主要的DFN56封装兼容。
除了电机驱动器，NextPowerS3 MOSFET的其他工业应用还包括电池供电工具、调节监测、仪器仪表、自动化和控制以及机器人和协作机器人。这些器件也可用于电信应用电源的同步整流。
 
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