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EMI 及無(wú) Y 電容變壓器的設(shè)計(jì)在開(kāi)關(guān)電源中，功率器件高頻導(dǎo)通/關(guān)斷的操作導(dǎo)致的電流和電壓的快速變化而產(chǎn)生較 高的電壓及電流尖峰是產(chǎn)生 EMI 的主要原因。加緩沖吸收電路有利于降低 EMI，但會(huì)產(chǎn)生 過(guò)多的功耗，增加元件數(shù)量、PCB 尺寸及系統(tǒng)成本。 通常情況下，系統(tǒng)前端要加濾除器和 Y 電容，Y 電容的存在會(huì)使輸入和輸出線間產(chǎn)生 漏電流，具有 Y 電容的金屬殼手機(jī)充電器會(huì)讓使用者有觸電的危險(xiǎn)，因此，一些手機(jī)制造 商開(kāi)始采用無(wú) Y 電容的充電器，然而，去除 Y 電容會(huì)給 EMI 的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，本文將介紹 無(wú) Y 電容的充電器變壓器補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法。 變壓器補(bǔ)償設(shè)計(jì) 減小電壓和電流變化率及增加耦合通道阻抗是提高 EMI 性能的常用辦法，變壓器是另 外一個(gè)噪聲源，而初級(jí)/次級(jí)的漏感及層間電容、初級(jí)和次級(jí)間的耦合電容則是噪聲的通道， 初級(jí)或次級(jí)的層間電容可以通過(guò)減少繞組的層數(shù)來(lái)降低， 增大變壓器骨架窗口的寬度可以減 少繞組的層數(shù)。分離的繞組，如初級(jí)采用三明治繞法，可以減小初級(jí)的漏感，但由于增大了初級(jí)和次級(jí)的接觸面積，因而增大了初級(jí)和次級(jí)的耦合電容，采用銅皮的 Faraday 屏蔽可 以減小初級(jí)與次級(jí)間的耦合電容。 Faraday 屏蔽層繞在初級(jí)與次級(jí)之間， 并且要接到初級(jí)或 次級(jí)的靜點(diǎn)，如初級(jí)地和次級(jí)地。Faraday 屏蔽層會(huì)使初級(jí)和次級(jí)的耦合系統(tǒng)降低，從而增 加了漏感。 開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電流尖峰由三部分組成：（1）變壓器初級(jí)繞組的層間電容充電電流； （2）MOSFET 漏-源極電容的放電電流；（3）工作在 CCM 模式的輸出二極管的方向恢復(fù) 電流。 導(dǎo)通電流尖峰不能通過(guò)輸入濾波的直流電解電容旁路， 因?yàn)檩斎霝V波的直流電解電容 有等效的串聯(lián)電感 ESL 和電阻 ESR，產(chǎn)生的差模電流會(huì)在電源的兩根輸入線間流動(dòng)，對(duì)于變壓器而言，初級(jí)繞組兩端所加的電壓高，繞組層數(shù)少，層間電容少，然而，在很多應(yīng)用中 由于骨架窗口寬度的限制，以及為了保證合適的飽和電流，初級(jí)繞組通常用多層結(jié)構(gòu)，本設(shè) 計(jì)針對(duì) 4 層的初級(jí)繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論。 對(duì)于常規(guī)的 4 層初級(jí)繞組結(jié)構(gòu)，在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的過(guò)程中，層間的電流向同一個(gè) 方面流動(dòng)，在圖 1 中在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，原極接到初級(jí)的地，B 點(diǎn)電壓為 0，A 點(diǎn)電壓為 Vin， 基于電壓的變化方向， 初級(jí)繞組層間電容中電流流動(dòng)的方向向下， 累積形成的差模電流值大。 在功率器件關(guān)斷瞬間，MOSFET 漏-源極電容充電變壓器初級(jí)繞組的層間電容放電，這兩部 分電流也會(huì)形成差模電流，同樣，基于電壓的變化方向，初級(jí)繞組層間電容中的電流流動(dòng)方 向向上，累積形成的差模電流值大。 差模電流可以通過(guò)差模濾波器濾除，差模濾波器為由電感和電容組成的二階低通濾波 器。對(duì)于 PCB 設(shè)計(jì)而言，盡量減小高的 di/dt 環(huán)路并采用寬的布線有利于減小差模干擾， 由于濾波器電感有雜散電容， 高頻干擾噪聲可以由雜散電容旁路， 使濾波器不能起到有效的 作用，用幾個(gè)電解電容并聯(lián)可以減小 ESL 和 ESR，在小功率充電器中，由于成本的壓力不 會(huì)用 X 電容，因此，在交流整流后要加一級(jí) LC 濾波器。 如果對(duì)變壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如圖 1 所示，通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢詼p小差模電流。注 意：初級(jí)繞組的熱點(diǎn)應(yīng)該埋在變壓器的最內(nèi)層，外層的繞組起到屏蔽的作用，同樣，基于電 壓的變化方向，可以得到初級(jí)繞組層間電容的電流方向，由圖 1 所示可以看到，部分層間 電流由于方向相反可以相互抵消，從而得到補(bǔ)償。 共模電流在輸入及輸出線與大地間流動(dòng)， 主要有下面幾部分可通過(guò) MOSFET 源級(jí)到大 地的電容 Cde。如果改進(jìn) IC 的設(shè)計(jì)，如對(duì)于單芯片電源芯片，將 MOSFET 源極連接到芯 片基極用于散熱，而不是用漏極進(jìn)行散熱，這樣可以減小漏極對(duì)大地的寄生電容，PCB 布 線時(shí)減小漏極區(qū)銅皮的面積可減小漏極對(duì)大地的寄生電容， 但要注意保證芯片的溫度滿足設(shè) 計(jì)的要求；通過(guò) Cm 和 Cme 產(chǎn)生共模電流；通過(guò) Ca 和 Cme 產(chǎn)生共模電流，通過(guò) Ct 和 C oe 產(chǎn)生共模電流，通過(guò) Cs 和 Coe 產(chǎn)生共模電流，這部分在共模電流中占主導(dǎo)作用，減小 漏極電壓的變化幅值及變化率可減小共模電流，如降低反射電壓，加大漏-源極電容，但這 樣會(huì)使 MOSFET 承受大的電流應(yīng)力，其溫度將增加，同時(shí)加大漏-源極電容，產(chǎn)生更強(qiáng)的磁 場(chǎng)。如果系統(tǒng)加了 Y 電容，如圖 2 所示，通過(guò) Cs 的大部分共模電流被 Y 電容旁路，返回 到初級(jí)的地，因?yàn)?Y 電容的值大于 Coe。Y 電容必須直接并用盡量短的直線連接到初級(jí)和 次級(jí)的冷點(diǎn)，如果導(dǎo)通時(shí) MOSFET 的 dV/dt 大于關(guān)斷時(shí)的值，Y 電容則連接到初級(jí)的地， 反之連接到 Vin。 電壓沒(méi)有變化的點(diǎn)稱為靜點(diǎn)或冷點(diǎn)， 電壓變化的點(diǎn)稱為動(dòng)點(diǎn)或熱點(diǎn)， 初級(jí)的地和 Vin 都 是冷點(diǎn)，對(duì)于輔助繞組和輸出繞組，冷點(diǎn)可以通過(guò)二極管的位置進(jìn)行調(diào)整，圖 2（b）中，A、 B 和 Vin 為冷點(diǎn)，F(xiàn)、D、B 和 C 為熱點(diǎn)，而圖 2（c）中，A、Vcc、Vin 和 Vo 為冷點(diǎn)，D、 F 和 G 為熱點(diǎn)。 去除 Y 電容無(wú)法有效地旁路共模電流，導(dǎo)致共模電流噪聲過(guò)大，無(wú)法通過(guò)測(cè)試，解決 的方法是改進(jìn)變壓器的結(jié)構(gòu)，一般的屏蔽方法不能使設(shè)備在無(wú) Y 電容的情況下通過(guò) EMI 的 測(cè)試，由于 MOSFET 漏極端的電壓變化幅值大，主要針對(duì)這個(gè)部位進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要注意： 電壓的變化是產(chǎn)生差模及共模電流的主要原因，寄生電容是其流動(dòng)的通道，前面提到，Cm、 Cme、Cme 和 Ca 也會(huì)產(chǎn)生共模電流，初級(jí)層間電容的電流一部分形成差模電流，有一部 分也會(huì)形成共模電流，這也表明差模和共模電流可以相互轉(zhuǎn)換。 如果按 結(jié)構(gòu)安排冷點(diǎn)和繞組，在沒(méi)有 Y 電容時(shí)，基于電壓改變的開(kāi)關(guān)電源 方向，可 以得到初級(jí)與次級(jí)繞組及輔助繞組和次級(jí)繞組層間www.lenoer.com電容的電流方向，初級(jí)繞組和輔助繞組 的電流都流入次級(jí)繞組中，調(diào)整冷點(diǎn)后如圖 3（b）所示，可以看出，初級(jí)與次級(jí)繞組及輔 助繞組和次級(jí)繞組層間電容的電流方向相同，可以相互抵消一部分流入次級(jí)繞組的共模電 流，從而減小總體共模電流的大小，輔助繞組和次級(jí)繞組的整流二極管放置在下端，從而改 變電壓變化的方向，同時(shí)，注意冷點(diǎn)要盡量靠近，因此兩者間沒(méi)有電壓的變化，所以不會(huì)產(chǎn) 生共模電流。 如果在內(nèi)層及初級(jí)、次級(jí)繞組間放置銅皮，銅皮的寬度小于或等于初級(jí)繞組 的寬度，銅皮的中點(diǎn)由導(dǎo)線連到冷點(diǎn)，如 3（c）所示，由于銅皮為冷點(diǎn)，與其接觸的繞組 和銅皮間電壓的擺率降低，從而減小共模電流，同時(shí)將共模電流由銅皮旁路引入到冷點(diǎn)，注 意銅皮的搭接處不能短路，用絕緣膠帶隔開(kāi)，內(nèi)外層銅皮的方向要一致。輔助繞組和次級(jí)繞 組的共模電流可以由以下方法補(bǔ)償：1）加輔助屏蔽繞組：輔助屏蔽繞組繞制方向與次級(jí)繞 組保持一致，輔助屏蔽繞組與次級(jí)繞組的同名端連接到一起，并連接到冷點(diǎn)，輔助屏蔽繞組 的另一端浮空。由于它們的電壓變化的方向相同，所以兩者間沒(méi)有電流流動(dòng)，2）加外層的 輔助屏蔽銅皮：輔助屏蔽銅皮的中點(diǎn)連接到輔助繞組的中點(diǎn)。同樣，基于電壓的變化方向分 析電流的方向，可以看到，兩者間的電流形成環(huán)流，相互補(bǔ)償?shù)窒?，從而降低共模電流?測(cè)試結(jié)果 浮空電壓波形 測(cè)量變壓器初級(jí)和次級(jí)靜點(diǎn)的電壓波形及變壓器磁芯的電壓波形，可以為 EMI 的傳導(dǎo) 測(cè)試提供一些參考（見(jiàn)圖 4）。常規(guī)結(jié)構(gòu)變壓器的初級(jí)和次級(jí)靜點(diǎn)電壓波形的幅值為 10V， 并且可以明顯地看到基于開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)波形， 新結(jié)構(gòu)變壓器的初級(jí)和次級(jí)靜點(diǎn)電壓波形的 幅值為 5V，基于開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)波形不是很明顯，常規(guī)結(jié)構(gòu)的變壓器的磁芯電壓波形的幅 值為 18V， 可以明顯地看出基于開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)波形， 新結(jié)構(gòu)的變壓器的磁芯電壓波形的幅 值為 5V，基于開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)波形不是很明顯。 傳導(dǎo)及輻射測(cè)量 如圖 5 所示，從測(cè)試結(jié)果看，即使出除了 Y 電容，由于對(duì)變壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化補(bǔ) 償，因此可以通過(guò)測(cè)試的要求。 結(jié)語(yǔ) 1、在變壓器內(nèi)部使用補(bǔ)償?shù)姆椒梢詼p小共模干擾電流，從而提高系統(tǒng)的 EMI 傳導(dǎo)性能， 并可以去除 Y 電容。 2、使用屏蔽繞組和銅皮是在變壓器內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)償?shù)挠行Х椒ā?3、變壓器內(nèi)部補(bǔ)償對(duì)高頻輻射的影響不明顯。 摘要：本文首先介紹了關(guān)于 EMI 常規(guī)知識(shí)以及在開(kāi)關(guān)電源中使用的 各種緩沖吸引電路。然后介紹了在 EMI 中和傳導(dǎo)相關(guān)的共模及差模 電流產(chǎn)生的原理，靜點(diǎn)動(dòng)點(diǎn)的概念，并詳細(xì)的說(shuō)明了在變壓器的結(jié) 構(gòu)中使用補(bǔ)償設(shè)計(jì)的方法。最后介紹了 EMI 的發(fā)射產(chǎn)生的機(jī)理和頻 率抖動(dòng)及共模電感的設(shè)計(jì)。 目前，Y 電容廣泛的應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源中，但 Y 電容的存在使輸入和 輸出線間產(chǎn)生漏電流。具有 Y 電容的金屬殼手機(jī)充電器會(huì)讓使用者 有觸電的危險(xiǎn)，因此一些手機(jī)制造商目前開(kāi)始采用無(wú) Y 電容的充電器。然而摘除 Y 電容對(duì) EMI 的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。具有頻抖和頻率調(diào) 制的脈寬調(diào)制器可以改善 EMI 的性能，但不能絕對(duì)的保證充電器通 過(guò) EMI 的測(cè)試，必須在電路和變壓器結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，才能使充電 器滿足 EMI 的標(biāo)準(zhǔn)。 1 EMI 常識(shí) 在開(kāi)關(guān)電源中，功率器件高頻開(kāi)通關(guān)斷的操作導(dǎo)致電流和電壓的快 速的變化是產(chǎn)生EMI的主要原因。 在電路中的電感及寄生電感中快速的電流變化產(chǎn)生磁場(chǎng)從而產(chǎn)生較 高的電壓尖峰： u L = LdiL / dt 在電路中的電容及寄生電容中快速的電壓變化產(chǎn)生電場(chǎng)從而產(chǎn)生較 高的電流尖峰: iC = Cdu C / dt 圖 1: Mosfet 電壓電流波形   磁場(chǎng)和電場(chǎng)的噪聲與變化的電壓和電流及耦合通道如寄生的電感和 電容直接相關(guān)。直觀的理解， 減小電壓率du/dt和電流變化率di/dt及 減小相應(yīng)的雜散電感和電容值可以減小由于上述磁場(chǎng)和電場(chǎng)產(chǎn)生的 噪聲，從而減小EMI干擾。 1.1 減小電壓率du/dt和電流變化率di/dt 減小電壓率du/dt和電流變化率di/dt可以通過(guò)以下的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：改 變柵極的電阻值和增加緩沖吸引電路，如圖2和圖3所示。增加?xùn)艠O 的電阻值可以降低開(kāi)通時(shí)功率器件的電壓變化率。 D R1 R2 圖 2: 柵極驅(qū)動(dòng)電路 圖3中，基本的RCD箝位電路用于抑止由于變壓器的初級(jí)漏感在開(kāi)關(guān) 管關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的電壓尖峰。L1，L2 和L3可以降低高頻的電流的 變化率。L1和L2只對(duì)特定的頻帶起作用。L3對(duì)于工作于CCM模式才 有效。 R1C1，R2C2，R3C3，R4C4 和 C5可以降低相應(yīng)的功率器件 兩端的高頻電壓的變化率。 所有的這些緩沖吸引電路都需要消耗一定功率，產(chǎn)生附加的功率損 耗，降低系統(tǒng)的效率；同時(shí)也增加元件的數(shù)日和PCB的尺寸及系統(tǒng) 的成本，因此要根據(jù)實(shí)際的需要選擇使用。 圖 3: 緩沖吸引電路  1.2 減小寄生的電感和電容值 開(kāi)關(guān)器件是噪聲源之一，其內(nèi)部引線的雜散電感及寄生電容也是噪 聲耦合的通道，但是由于這些參數(shù)是器件固有的特性，電子設(shè)計(jì)和 應(yīng)用工程師無(wú)法對(duì)它們進(jìn)行優(yōu)化。寄生電容包括漏源極電容和柵漏 極的Miller電容。 變壓器是另外一個(gè)噪聲源，而初級(jí)次級(jí)的漏感及初級(jí)的層間電容、 次級(jí)的層間電容、初級(jí)和次級(jí)之間的耦合電容則是噪聲的通道。初 級(jí)或次級(jí)的層間電容可以通過(guò)減小繞組的層數(shù)來(lái)降低，增大變壓器骨架窗口的寬度可在減小繞組的層數(shù)。分離的繞組如初級(jí)采用三明 治繞法可以減小初級(jí)的漏感，但由于增大了初級(jí)和次級(jí)的接觸面 積，因而增大了初級(jí)和次級(jí)的耦合電容。采用銅皮的Faraday屏蔽可 以減小初級(jí)與次級(jí)間的耦合電容。Faraday屏蔽層繞在初級(jí)與次級(jí)之 間，并且要接到初級(jí)或次級(jí)的靜點(diǎn)如初級(jí)地和次級(jí)地。Faraday屏蔽 層使初級(jí)和次級(jí)的耦合系數(shù)降低，從而增加了漏感。 2 傳導(dǎo)干擾 2.1 LISN EMI測(cè)試由傳導(dǎo)干擾CE和輻射干擾RE組成，這兩種噪聲分開(kāi)的檢測(cè) 和評(píng)價(jià)。對(duì)于不同的應(yīng)用，不同的地區(qū)和國(guó)家都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，這 些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于頻段的寬度和限制值都作了十分明確的定義。例如對(duì)于 手機(jī)充電器屬于FCC15/EN55022 CLASS B，傳導(dǎo)干擾測(cè)量的頻率范 圍 為 0.15MHz 到 30MHz ， 輻 射 干 擾 測(cè) 量 的 頻 率 范 圍 為 30MHz 到 1GHz 。具體的內(nèi)容可以參考相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)FCC，CIRPR和EN等。 傳導(dǎo)干擾指在輸入和輸出線上流過(guò)的干擾噪聲，測(cè)試的方法見(jiàn)圖4所 示。待測(cè)試的設(shè)備EUT通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)LISN（或人工開(kāi)關(guān)電源網(wǎng)絡(luò)） 連接到干凈的交流電源上。 圖4: LISN 及EUT測(cè)試 LISN的作用如下：（1) 隔離待測(cè)試的設(shè)備EUT和交流輸入電源，濾除由輸入電源線引入 的噪聲及干擾。 2) EUT產(chǎn)生的干擾噪聲依次通過(guò)LISN內(nèi)部的高通濾波器個(gè)50 ?電 阻，在50 ?電阻上得到相應(yīng)的信號(hào)值送到接收機(jī)進(jìn)行分析。 由圖4可見(jiàn)：EUT放置在絕緣的測(cè)試臺(tái)上，測(cè)試臺(tái)下部裝有接地良好 的鐵板，測(cè)試臺(tái)及鐵板的尺寸和安裝都在特定的規(guī)定。 傳導(dǎo)干擾來(lái)源于差模電流噪聲和共模電流噪聲，這兩種類型的噪聲 干擾見(jiàn)圖5所示。Y電容直接和傳導(dǎo)干擾相關(guān)。 圖5: 差模電流和共模電流 差模電流在兩根輸入電源線間反方向流動(dòng)，兩者相互構(gòu)成電流回 路，即一根作為差模電流的源線，一根作為差模電流的回線。共模 電流在兩根輸入電源線上同方向流動(dòng)，它們分別與大地構(gòu)成電流回 路，即同時(shí)作為共模電流的源線或回線。 2.2 變壓器模型變壓器所包含的寄生電容的模型見(jiàn)圖6中所示。 ① Cp: 初級(jí)繞組的層間電容。 ② Coe: 輸出線到大地的電容。 ③ Cme: 磁芯到大地的電容。 ④ Ca: 最外層繞組到磁芯的電容。 ⑤ Ct: 輔助繞組到次級(jí)繞組的電容。 ⑥Cs: 初級(jí)繞組到次級(jí)繞組的電容. ⑦ Cm: 最內(nèi)層初級(jí)繞組到磁芯的電容。   變壓器寄生電容 2.3 差模電流 差模電流噪聲主要由功率開(kāi)關(guān)器件的高頻開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生。 ① 功率器件開(kāi)通 在功率器件開(kāi)通瞬間存在電流的尖峰，圖7所示。 圖7: 開(kāi)通電流尖峰 開(kāi)通電流尖峰由三部分組成： (1) 變壓器初級(jí)繞組的層間電容充電電流。 (2) MOSFET漏源極電容的放電電流。 (3) 工作在CCM模式的輸出二極管的反向恢復(fù)電流。 開(kāi)通電流尖峰不能通過(guò)輸入濾波的直流電解電容旁路，因?yàn)檩斎霝V 波的直流電解電容有等效的串聯(lián)電感ESL和電阻ESR，這樣就產(chǎn)生的 差模電流在電源的兩根輸入線間流動(dòng)。注意：MOSFET漏源極的電 容的放電電流對(duì)差模電流噪聲無(wú)影響，但會(huì)產(chǎn)生輻射干擾。   功率器件開(kāi)通瞬間的差模電流 功率器件開(kāi)通瞬間形成的差模電流為IDM 為： I DM = I Cp + nI R ? I Cin 對(duì)于變壓器而言，初級(jí)繞組兩端所加的電壓高，初級(jí)繞組的層數(shù) 少，層間的電容越少，然而在很多應(yīng)用中由于骨架窗口寬度的限制 并為了保證合適的飽和電流，初級(jí)繞組通常用多層結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)針 對(duì)四層的初級(jí)繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論。 A B 圖9: 開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)初級(jí)繞組層間電流流動(dòng)方向 對(duì)于常規(guī)的四層初級(jí)繞組結(jié)構(gòu)，在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程中，層 間的電流向同一個(gè)方向流動(dòng)。在圖9中，在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，源極接到 初級(jí)的地，B點(diǎn)電壓為0，A點(diǎn)電壓為Vin，基于電壓的變化方向，初 級(jí)繞組層間電容中電流流動(dòng)方向向下，累積形成的差模電流值大。 ② 功率器件關(guān)斷 在功率器件關(guān)斷瞬間，MOSFET漏源極電容的充電，變壓器初級(jí)繞 組的層間電容放電，這兩部分電流也會(huì)形成差模電流，如圖10所 示。 圖10: 功率器件關(guān)斷瞬間的差模電流 功率器件關(guān)斷瞬間形成的差模電流為IDM 為： I DM = I Cds + I g ? I Cp ? I Cin . 圖11: 開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)初級(jí)繞組層間電流流動(dòng)方向 同樣，基于電壓的變化方向，初級(jí)繞組層間電容中的電流流動(dòng)方向 向上，累積形成的差模電流值大。 ③功率開(kāi)關(guān)工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)電流（開(kāi)關(guān)頻率）的高次諧波也 會(huì)因?yàn)檩斎霝V波的直流電解電容的ESL和ESR形成差模電流。 

 開(kāi)關(guān)電源形成的差模電流 差模電流可以通過(guò)差模濾波器濾除，差模濾波器為由電感和電容組 成的二階低通濾波器。從PCB設(shè)計(jì)而言，盡量減小高的di/dt的環(huán)路并 采用寬的布線有利于減小差模干擾。 由于濾波器的電感有雜散的電容，對(duì)于高頻的干擾噪聲可以由雜散 電容旁路，使濾波器不能起到有效的作用。用幾個(gè)電解電容并聯(lián)可 以減小ESL和 ESR，在小功率的充電器中由于成本的壓力不會(huì)用X電 容，因此在交流整流后要加一級(jí)LC濾波器，圖13所示。 Vin Vo 2 ESR ESL ESR ESL Cin2 Cin3 1 3 Cin 4 C L R

DM濾波器 如果對(duì)變壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如圖14和15所示，通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞?可以減小差模電流。注意：初級(jí)繞組的熱點(diǎn)應(yīng)該埋在變壓器的最內(nèi) 層，外層的繞組起到屏蔽的作用。   同樣的基于電壓的變化方向，可以得到初級(jí)繞組層間電容的電流流 動(dòng)的方向，由圖 14 和 15 所示可以看到，部分的層間電流由于方向 相反可以相互的抵消，從而得到補(bǔ)償。 圖14: 新結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)初級(jí)繞組層間電流流動(dòng)方向 

 新結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)初級(jí)繞組層間電流流動(dòng)方向 2.4 共模電流 共模電流在輸入及輸出線與大地間流動(dòng)，其產(chǎn)生主要是功率器件高 頻工作時(shí)產(chǎn)生的電壓的瞬態(tài)的變化。共模電流的產(chǎn)生主要有下面幾 部分：  通過(guò)MOSFET源級(jí)到大地的電容Cde。如果改進(jìn)IC的設(shè)計(jì)，如對(duì) 于單芯片電源芯片，將MOSFET源極連接到芯片基體用于散熱，而不 是用漏極進(jìn)行散熱，這樣可以減小漏極對(duì)大地的寄生電容。PCB布線 時(shí)減小漏極區(qū)銅皮的面積可減小漏極對(duì)大地的寄生電容，但要注意 保證芯片的溫度滿足設(shè)計(jì)的要求。 ②通過(guò)Cm 和Cme產(chǎn)生共模電流。 ③ 通過(guò)Ca 和 Cme產(chǎn)生共模電流。 ④ 通過(guò)Ct 和Coe產(chǎn)生共模電流。 ⑤ 通過(guò)Cs 和Coe產(chǎn)生共模電流，這部分在共模電流中占主導(dǎo)作用。 減小漏極電壓的變化幅值及變化率可減小共模電流，如降低反射電 壓，加大漏源極電容，但這樣會(huì)使MOSFET承受大的電流應(yīng)力，其 溫度將增加，同時(shí)加大漏源極電容產(chǎn)生更大的磁場(chǎng)發(fā)射。 Vcc Ca Ct Vin LISN 2 Vo Cin 3 Cm Cs Cde Cme Coe 1 4 圖16: 共模電流產(chǎn)生

Y電容作用 電壓如果系統(tǒng)加了Y電容，由圖17所示, 通過(guò)Cs的大部分的共模電流 被Y 電容旁路，返回到初級(jí)的地，因?yàn)閅電容的值大于Coe。Y電容  必須直接并用盡量短的直線連接到初級(jí)和次級(jí)的冷點(diǎn)。作為一個(gè)規(guī) 則，如果開(kāi)通葉MOSFET的dV/dt大于關(guān)斷時(shí)的值，Y電容連接到初 級(jí)的地。反之連接到Vin。 強(qiáng)調(diào)：電壓沒(méi)有變化的點(diǎn)稱為靜點(diǎn)或冷點(diǎn)，電壓變化的點(diǎn)稱為動(dòng)點(diǎn) 或熱點(diǎn)。初級(jí)的地和Vin都是冷點(diǎn)，對(duì)于輔助繞組和輸出繞組，冷點(diǎn) 可以通過(guò)二極管的位置進(jìn)行調(diào)整。

A，B和Vin為冷點(diǎn)，F(xiàn)， D，B和C為熱點(diǎn)；而圖19中，A，Vcc，Vin和Vo為冷點(diǎn)，D，F(xiàn)和G 為熱點(diǎn)。 Vcc E A Vin C Vo 2 Cin 3 1 D B 4 A 圖18: 冷點(diǎn)位置 Vcc F Vin Vo 2 Cin 3 1 D G 4 A

改變二極管后冷點(diǎn)位置 去除Y電容無(wú)法有效的旁路共模電流，導(dǎo)到共模電流噪聲過(guò)大，無(wú) 法通過(guò)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的方法是改進(jìn)變壓器的結(jié)構(gòu)。一般的法加利 屏蔽方法不能使設(shè)備在無(wú)Y電容的情況下通過(guò)EMI的測(cè)試。由于  MOSFET的漏極端的電壓變化幅值大，主要針對(duì)這個(gè)部位進(jìn)行設(shè) 計(jì)。永遠(yuǎn)注意：電壓的變化是產(chǎn)生差模及共模電流的主要原因，寄 生電容是其流動(dòng)的通道。 前面提到Cm和Cme及Cme和Ca也會(huì)產(chǎn)生共模電流，初級(jí)層間電容的 電流一部分形成差模電流，有一部分也會(huì)形成共模電流，這也表明 差模和共模電流可以相互的轉(zhuǎn)換。 如果按圖20結(jié)構(gòu)安排冷點(diǎn)（藍(lán)色點(diǎn)）和繞組，在沒(méi)有Y電容時(shí)，基 于電壓改變的方向可以得到初級(jí)繞組與次級(jí)繞組及輔助繞組和次級(jí) 繞組層間電容的電流的流動(dòng)方向，初級(jí)繞組和輔助繞組的電流都流 入次級(jí)繞組中。

初級(jí)與次級(jí)繞組及輔助和次級(jí)繞組共模電流

調(diào)整冷點(diǎn)后初級(jí)與次級(jí)繞組及輔助和次級(jí)繞組共模電流互感器調(diào)整冷點(diǎn)后如圖 21 所示，可以看到，初級(jí)繞組與次級(jí)繞組及輔助繞 組和次級(jí)繞組層間電容的電流的流動(dòng)方向相同，可以相互抵消一部 分流入次級(jí)繞組的共模電流，從而減小總體的共模電流的大小。 輔助繞組和次級(jí)繞組的整流二極管放置在下端，從而改變電壓變化 的方向，同時(shí)注意冷點(diǎn)要盡量的靠近，這樣因?yàn)閮烧唛g沒(méi)有電壓的 變化，所以不會(huì)產(chǎn)生共模電流。 進(jìn)一步，如果在內(nèi)層及初級(jí)繞組和次級(jí)繞組間放置銅皮，銅皮的寬 度小于或等于初級(jí)繞組的寬度，銅皮的中點(diǎn)由導(dǎo)線引線到冷點(diǎn)，如 圖 22 所示，由于銅皮為冷點(diǎn)，與其接觸的繞組和銅皮間電壓的擺率 降低，從而減小共模電流，同時(shí)將共模電流由銅皮旁路引入到冷 點(diǎn)。注意銅皮的搭接處不能短路，用絕緣膠帶隔開(kāi)，內(nèi)外層銅皮的 方向要一致。 

 銅皮的補(bǔ)償 輔助繞組和次級(jí)繞組的共模電流可以由以下方法補(bǔ)償： ① 加輔助屏蔽繞組 輔助屏蔽繞組繞制方向與次級(jí)繞組繞制方向保持一致，輔助屏蔽繞 組與次級(jí)繞組的同名端連接到一起并連接到冷點(diǎn)，輔助屏蔽繞組的 另一端浮空。由于它們的電壓變化的方向相同，所以兩者間沒(méi)有電 流流動(dòng)。 ②加外層的輔助屏蔽銅皮   輔助屏蔽銅皮的中點(diǎn)連接到到輔助繞組的中點(diǎn)。同樣，基于電壓的 變化方向分析電流的流動(dòng)方向，可以看到，兩者之間的電流形成環(huán) 流，相互補(bǔ)償?shù)窒?，從而降低共模電流?nbsp;

 輔助屏蔽銅皮 3 EMI 輻射干擾 3.1 電場(chǎng)和磁場(chǎng)發(fā)射 輻射干擾的測(cè)試在專門的屏蔽室中進(jìn)行，待測(cè)試的設(shè)備放在轉(zhuǎn)臺(tái) 上，天線分別放在水平和垂直的位置上下移動(dòng)掃描，檢測(cè)到信號(hào)送 到接收機(jī)進(jìn)行分析。

 輻射干擾測(cè)試  輻射干擾的測(cè)試包括電場(chǎng)發(fā)射和磁場(chǎng)發(fā)射，電場(chǎng)發(fā)射由du/dt產(chǎn)生， 磁場(chǎng)發(fā)射由di/dt產(chǎn)生。注意：空間電容是電場(chǎng)發(fā)射的通道，共模電 流可以產(chǎn)生相當(dāng)大的電場(chǎng)發(fā)射。.

: 電場(chǎng)發(fā)射 初級(jí)繞組電壓變化的幅值大，對(duì)于電場(chǎng)發(fā)射起主導(dǎo)作用。磁芯也是 一個(gè)電場(chǎng)發(fā)射源。在系統(tǒng)的PCB底層鋪銅皮或額處加一塊銅皮或單 面板，可以有效的減小電場(chǎng)發(fā)射和共模電流。 

 減小電場(chǎng)發(fā)射 高di/dt 的環(huán)路通過(guò)環(huán)路的寄生電感產(chǎn)生磁場(chǎng)發(fā)射，次級(jí)側(cè)的電流變 化幅值大，對(duì)于磁場(chǎng)發(fā)射的起主導(dǎo)作用。磁場(chǎng)發(fā)射形成的方向見(jiàn)圖 27所示，方向符合右手定則。  高di/dt環(huán)路的寄生電感隨環(huán)路面積增大而增大，因此磁場(chǎng)發(fā)射對(duì)于 PCB的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。次級(jí)側(cè)的電流環(huán)面積要盡量的小，布線要盡 量的短粗。 圖27: 磁場(chǎng)發(fā)射 變壓器的雜散磁場(chǎng)也是一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)射源，其主要由變壓器的氣隙產(chǎn) 生。E型磁芯在兩側(cè)開(kāi)氣隙時(shí)雜散磁場(chǎng)大，在中心柱開(kāi)氣隙時(shí)雜散的 磁場(chǎng)小。在變壓器的最外面包裹銅皮，銅皮兩端短接，用導(dǎo)線連接 到冷點(diǎn)，可以減小雜散的磁場(chǎng)。因?yàn)殡s散磁場(chǎng)在銅皮中產(chǎn)生渦流， 渦流反過(guò)來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)阻礙變壓器雜散磁通的外泄。輸出棒狀及鼓狀 的差模電感如同一個(gè)天線產(chǎn)生大的磁場(chǎng)發(fā)射。使用前述的相關(guān)的緩 沖吸引電路可以減小相應(yīng)的磁場(chǎng)發(fā)射。 圖 27: 輸出線發(fā)射 注意：手機(jī)充電器要帶長(zhǎng)的輸出線（1.8m）進(jìn)行測(cè)試，長(zhǎng)的輸出導(dǎo) 線也如同一個(gè)天線，并將共模電流放大，從而形成較大的共模電場(chǎng) 輻射，這種輻射只有通過(guò)上面變壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抑止，在沒(méi)有頻率 拌動(dòng)或頻率調(diào)制的系統(tǒng)中，還得加輸出共模電感。才能有效的減小 在30~50M間的電場(chǎng)發(fā)射。 

需要說(shuō)明的是：傳導(dǎo)和輻射及差模和共模電流間可以相互轉(zhuǎn)換，具 體的理論相當(dāng)復(fù)雜，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出作者的知識(shí)范圍，特表歉意。 3.2 共模電感設(shè)計(jì) 共模電感的兩個(gè)繞組分別與輸出的二根線串聯(lián)，注意到當(dāng)輸出電流 在每個(gè)繞組流過(guò)時(shí)，它們?cè)诖判局行纬傻拇磐ǚ较蚴窍喾吹?，可?相互的抵消，平衡的條件下磁芯中的磁通為0，因此共模電感不會(huì)因 為輸出的負(fù)載電流產(chǎn)生飽和。當(dāng)同方向的共模電流在兩個(gè)繞組中流 過(guò)時(shí)，其在磁芯中形成的磁通方向是相同，阻抗增加，從而衰減共 模電流信號(hào)。 Figure 27: 共模電感 設(shè)計(jì)過(guò)程： ① 選擇磁芯材料 鐵氧體是一個(gè)較好的具有成本優(yōu)勢(shì)的材料。 ② 設(shè)定電感的阻抗 對(duì)于一個(gè)給定的要求衰減的頻率，定義此頻率下共模電感的感抗為 50~100?，即至少50%的衰減，因此有： Z = ωL ③ 選擇磁芯的形狀的和尺寸 成本低漏感小的環(huán)形磁芯非常適合于共模電感，但是這種形狀不容 易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化繞制，一般用手工繞制。磁環(huán)尺寸的大小選取有一定 的隨意性，通?；赑CB的尺寸選取合適的磁芯。為了減小共模電 感的寄生電容，共模電感通常只用單層的線圈。若單層繞制時(shí)磁芯 無(wú)法容納所有的線圈，則選用大一號(hào)尺寸的磁環(huán)。當(dāng)然也可以基于 磁芯的數(shù)據(jù)手冊(cè)由LI的乘積選取。 ④ 計(jì)算線圈的匝數(shù) 由磁芯的電感系數(shù)AL計(jì)算共模電感的圈數(shù)： N = ( L × 106 AL ) 0.5 ⑤ 計(jì)算導(dǎo)線的線徑 ------------------------------------ Adlsong AN -------------------------------------------- 導(dǎo)線允許通過(guò)的電流密度選取為：400~800A/cm?，由此可以得到要 求的線徑。 3.3 頻率抖動(dòng)或調(diào)制 事實(shí)上，噪聲是基于特定的頻帶和步長(zhǎng)（傳導(dǎo)是9KHz）來(lái)檢測(cè)的， 當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率固定時(shí)，基于開(kāi)關(guān)頻率的電流變化和電壓變化的高頻高 次諧波如2次，3次，4次，…… 會(huì)在一個(gè)特定的頻率點(diǎn)處疊加，這 樣以此頻率點(diǎn)為中心的一個(gè)窄帶內(nèi)噪聲的值就較高。芯片有頻率抖 動(dòng)或調(diào)制時(shí)，開(kāi)關(guān)的頻率不是固定的，而是在一定的范圍內(nèi)變化， 頻率變化的范圍通常以名義的開(kāi)關(guān)頻率為中心上下變化不大于 4KHz，以免影響到系統(tǒng)的正常工作。如基頻即工作頻率變化范圍為 ±4KHz，則2次諧波頻率變化的范圍為±8KHz，3次諧波頻率變化的 范圍為±12KHz ……，這樣對(duì)于一個(gè)特定的頻率點(diǎn)噪聲在更寬的頻帶 內(nèi)分布，因此噪聲的值降低。頻率越高，特定的頻率點(diǎn)頻帶分布越 大，噪聲值也就越低。頻率抖動(dòng)或調(diào)制的原理見(jiàn)圖28所示。 從圖29至圖32可以看到：沒(méi)有頻率抖動(dòng)或調(diào)制時(shí)諧波分布窄，噪聲 值在諧波頻率點(diǎn)處較高。有頻率抖動(dòng)或調(diào)制時(shí)，諧波值平滑而且較 小，從圖29至圖32還可以看出：頻率抖動(dòng)或調(diào)制對(duì)準(zhǔn)峰值降低不 大，而對(duì)平均值降低十分時(shí)顯。在測(cè)試RE時(shí)，由于頻率抖動(dòng)或調(diào)制 的作用，即使從波形看某一頻點(diǎn)似乎沒(méi)有余量，但接收機(jī)在讀點(diǎn)時(shí) 很難抓取到幅值最大點(diǎn)，因此讀點(diǎn)時(shí)讀取值仍有范圍內(nèi)有一定余 量。 圖28: 頻率抖動(dòng)或調(diào)制原理  傳導(dǎo)測(cè)試無(wú)頻率抖動(dòng)或調(diào)制的準(zhǔn)峰值和平均值 圖30: 傳導(dǎo)測(cè)試有頻率抖動(dòng)或調(diào)制的準(zhǔn)峰值和平均值 圖31: 輻射測(cè)試無(wú)頻率抖動(dòng)或調(diào)制的水平和垂直值 圖32: 輻射測(cè)試有頻率抖動(dòng)或調(diào)制的水平和垂直值 3.4 浮空電壓波形 測(cè)量變壓器初級(jí)和次級(jí)靜點(diǎn)的電壓波形及變壓器磁芯的電壓波形可 以為EMI的傳導(dǎo)測(cè)試提供一些參考。 常規(guī)結(jié)構(gòu)的變壓器的初級(jí)和次級(jí)靜點(diǎn)電壓波形的幅值為10V并且可 以明顯的看到基于開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)波形。新的結(jié)構(gòu)的變壓器的初級(jí) 和次級(jí)靜點(diǎn)電壓波形的幅值為5V，基于開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)波形不是很 明顯。 常規(guī)結(jié)構(gòu)的變壓器的磁芯電壓波形的幅值為18V并且可以明顯的看 到基于開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)波形。新的結(jié)構(gòu)的變壓器的磁芯電壓波形的 幅值為5V，基于開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)波形不是很明顯。  （1）常規(guī)結(jié)構(gòu) （2）新的結(jié)構(gòu) 圖33：初級(jí)和次級(jí)靜點(diǎn)電壓波形(Ch1 scale: 5V, Time: 4us) （1）常規(guī)結(jié)構(gòu) （2）新的結(jié)構(gòu) 圖34：磁芯電壓波形(Ch1 scale: 5V, Time: 4us) 附 1：PI 無(wú) Y 電容的變壓器結(jié)構(gòu) （1）芯片有頻抖功能，芯片可以不需要輔助繞組供電。 （2）變壓器最外面裹銅皮，銅皮兩端短接并引線到初級(jí)的地。 圖35：腳管和繞組安排  其中：實(shí)心黑點(diǎn)圈為繞制時(shí)的起點(diǎn)，空心點(diǎn)為骨架換方向后繞制時(shí) 的起點(diǎn)。

給力

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