使用铁氧体磁珠解决EMC噪声和功率器件栅极振荡

在整机应用中，EMC测试现在是不可缺少的测试环节。 EMC产生的原因与功率器件的振荡、电源纹波率等密切相关。随着生活需求的发展，电气设备的小型化、高集成度的需求日益增加。尤其是在降低电感成本空间的高频应用方案中，使用较小的驱动电阻会导致功率器件的栅极振铃，使电压尖峰更加突出。因此，解决EMC问题或功率器件持续振铃成为方案优化的关键。最有效和最简单的方法之一是使用铁氧体磁珠。

铁氧体磁珠的基本介绍铁氧体磁珠本质上是一种利用损耗来抑制高频噪声的元件。其专业名称为“铁氧体磁芯高频干扰抑制器”。它不是一个简单的电感器，而是一个阻值随频率变化的电阻器。铁氧体材料在高频下具有较高的磁芯损耗（主要是涡流损耗和磁滞损耗），可以以热的形式耗散转换后的磁能。磁珠的总阻抗为Z=R + jXL。低频时，感抗占主导地位；特征频率附近，损耗（电阻R）最大；超过特征频率后，感抗和电容效应可能导致阻抗下降。

图1 铁氧体磁珠等效模型图

EMC噪声的产生栅极驱动电路的噪声问题非常重要。它直接关系到功率器件的可靠性和系统的EMI性能。噪声的来源可归因于“高速开关动作”和“电路的非理想寄生参数”之间的相互作用。

以下是该系统的原理分析，从核心机制到具体性能：

机制一：栅极环路自身的噪声（振铃与误触发）原理：

1、寄生LC谐振：驱动电路的走线电感（Lg、Ls）和MOSFET的输入电容（Ciss=Cgs+Cgd）构成LC谐振电路。

2、激励源：驱动芯片输出的陡峭上升/下降沿（本身含有高频成分）激励LC电路。

3、振铃：当驱动电阻（Rg）阻尼不足时，栅极电压Vgs会出现衰减振荡（振铃）。过度的振铃可能会导致栅极电压超过阈值，从而导致器件损坏和故障。

机制二：功率环路与驱动环路的耦合噪声（米勒效应与地弹）原理A：通过Cgd 进行电容耦合（米勒效应）

1. 在开关过程中，漏极-源极（或集电极-发射极）电压Vds发生剧烈变化（高dV/dt）。

2. 这种变化的电压通过栅极到漏极（或栅极到集电极）的寄生电容Cgd，向栅极驱动电路注入位移电流：i=Cgd * dVds/dt。

3. 该电流流经驱动电阻Rg和寄生电感，将在栅极上产生电压尖峰。在关断过程中尤其危险：Vds上升时的dV/dt会产生电流，通过Cgd拉高Vgs，这可能会导致“米勒平台”后的电压凸起。如果超过阈值Vth，就会引起桥臂击穿。

原理B：电源环路di/dt 在源电感上产生地弹

1. 功率环路（高电流、高di/dt环路）包含寄生电感（Lpower）。

2、根据公式V=Lpower*di/dt，电源电流的快速变化会在电源环路寄生电感上产生感应电压。

3. 要点：MOSFET 的源极引脚（用于低侧驱动）或发射极不是理想的“地”。它和系统参考地之间存在寄生电感（Ls）。

4. 当巨大的di/dt 流过Ls 时，源极S 与系统参考地GND 之间会产生电压尖峰V_Ls=Ls * di/dt。这导致驱动器芯片“看到”的源电压暂时高于实际参考地。

5、后果：驱动芯片以自身GND为参考输出驱动电压Vdrive，而MOSFET的阈值Vth是以其源极S为参考。地弹电压V_Ls将相当于提高MOSFET的源极电位，导致实际有效栅源电压Vgs_eff=Vdrive - V_Ls降低，从而可能导致关断变慢；更严重的是，如果地弹电压通过驱动芯片的电源或接地引脚耦合，可能会扰乱其内部逻辑并导致故障。

铁氧体磁珠对EMC和栅极振荡的抑制如第二节所示，铁氧体磁珠的电阻值随频率变化，对振荡的高频信号有很好的抑制作用，可以保留KHZ级信号波形。与直接使用电阻相比，不会增加开关损耗且不会导致功率器件升温，进一步提高了方案设计的工作频率。

对比实验：从图2可以看出，功率器件的栅极在开关过程中出现了明显的振荡，功率器件的VCE也出现了明显的连续振荡。这种异常波形很容易导致功率器件在使用过程中出现击穿甚至故障。在图3中，通过将磁珠串入栅极引脚，可以看到各种振荡得到了有效抑制。一方面减少了使用过程中的EMC干扰，另一方面提高了整体应用的可靠性。

图2 不带铁氧体磁珠

图3 铁氧体磁珠的引脚盖

磁珠的选择方案铁氧体磁珠的主要参数有：Z（总阻抗）、X（电抗分量）、R（电阻分量）和饱和电流。

当我们选择铁氧体磁珠时，我们主要关注的应该是：1、所选产品的阻抗值是否能够覆盖振荡频率，低阻抗是否能够覆盖信号频率。 2、饱和电流能否覆盖栅极电流峰值。

图4 ZXR阻抗示例图

大多数情况下，功率器件显示的振荡频率为10MHZ-50MHZ。测试EMC时，功率器件发出的噪声频率为40MHZ-60MHZ，应用频率一般在百KHZ以内。峰值栅极电流由所选驱动器IC 和功率器件决定。市场上常见的驱动IC的峰值电流一般可以达到2A甚至6A。对于一般大电流功率器件来说，峰值充放电电流也可以接近500mA。

因此，选择铁氧体磁珠时，所需产品应在1MHZ附近无限接近0，但在10MHZ以上则迅速上升。饱和电流应取决于设计的驱动IC和功率器件的尺寸。推荐值1A以上。