前面我們談到反激變壓器的繞制方式對(duì)傳導(dǎo)的影響比較大，給出了相關(guān)的測(cè)試方法，可以給大家一個(gè)整改參考。那么這篇文章側(cè)重討論關(guān)于本次項(xiàng)目輻射整改的一些方式以及高頻磁元件設(shè)計(jì)誤區(qū)。
一、一些磁元件錯(cuò)誤的概念
開(kāi)關(guān)電源中高頻磁性元件的設(shè)計(jì)對(duì)于電路的正常工作和各項(xiàng)性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)非常關(guān)鍵。加之高頻磁性元 件設(shè)計(jì)包括很多細(xì)節(jié)知識(shí)點(diǎn)，而這些細(xì)節(jié)內(nèi)容很難被一本或幾本所謂的“設(shè)計(jì)大全”一一羅列清楚。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻磁性元件，必須根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，綜合考慮多個(gè)設(shè)計(jì)變量，反復(fù)計(jì)算調(diào)整。正由于此，高頻 磁性元件設(shè)計(jì)一直是令初涉電源領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員頭疼的難題，乃至是困擾有多年工作經(jīng)驗(yàn)的電源工程師的 問(wèn)題。 很多文獻(xiàn)及相關(guān)技術(shù)資料給出的磁性元件設(shè)計(jì)方法或公式往往直接忽略了某些設(shè)計(jì)變量的影響，作了假設(shè)簡(jiǎn)化后得出一套公式；或者并未交代清楚公式的應(yīng)用條件，甚至有些文獻(xiàn)所傳達(dá)的信息本身就不 正確。很多電源設(shè)計(jì)者并沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)，直接套用設(shè)計(jì)手冊(cè)中的公式，或把設(shè)計(jì)手冊(cè)中某些話斷章取 義，尊為“設(shè)計(jì)綱領(lǐng)”，而沒(méi)有進(jìn)行透徹的分析和思考，以及實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。其結(jié)果往往是設(shè)計(jì)出來(lái)的高頻磁 性元件不能滿足應(yīng)用場(chǎng)合的要求，影響了研發(fā)的進(jìn)度和項(xiàng)目的按期完成。
1、 填滿磁芯窗口——優(yōu)化的設(shè)計(jì) 很多電源設(shè)計(jì)人員認(rèn)為在高頻磁性元件設(shè)計(jì)中，填滿磁芯窗口 可以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)，其實(shí)不然。在多例高頻變壓器和電感的設(shè)計(jì)中，我們可以發(fā)現(xiàn)多增加一層或幾層繞組， 或采用更大線徑的漆包線，不但不能獲得優(yōu)化的效果，反而會(huì)因?yàn)槔@線中的鄰近效應(yīng)而增大繞組總損耗。 因此在高頻磁性元件設(shè)計(jì)中，即使繞線沒(méi)把鐵芯窗口繞滿，只繞滿了窗口面積的 25％，也沒(méi)有關(guān)系。不必非得想法設(shè)法填滿整個(gè)窗口面積。 這種錯(cuò)誤概念主要是受工頻磁性元件設(shè)計(jì)的影響。在工頻變壓器設(shè)計(jì)中，強(qiáng)調(diào)鐵芯和繞組的整體性，因而不希望鐵芯與繞組中間有間隙，一般都設(shè)計(jì)成繞組填滿整個(gè)窗口，從 而保證其機(jī)械穩(wěn)定性。但高頻磁性元件設(shè)計(jì)并沒(méi)有這個(gè)要求。 一般變壓器打樣，窗口系數(shù)0.2左右。（具體看生產(chǎn)工藝）
2、 “鐵損=銅損”——優(yōu)化的變壓器設(shè)計(jì)很多電源設(shè)計(jì)者，甚至在很多磁性元件設(shè)計(jì)參考書(shū)中都把“鐵損=銅損”列為高頻變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)之一，其實(shí)不然。在高頻變壓器的設(shè)計(jì)中，鐵損和銅損可以 相差較大，有時(shí)兩者差別甚至可以達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)之大，但這并不代表該高頻變壓器設(shè)計(jì)不好。 這 種錯(cuò)誤概念也是受工頻變壓器設(shè)計(jì)的影響。工頻變壓器往往因?yàn)槔@組匝數(shù)較多，所占面積較大，因而從熱 穩(wěn)定、熱均勻角度出發(fā)，得出“鐵損=銅損”這一經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)則。但對(duì)于高頻變壓器，采用非常細(xì)的漆包線作 為繞組，這一經(jīng)驗(yàn)法則并不成立。在開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器設(shè)計(jì)中，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)有很多因素，而“鐵損=銅損”其實(shí)是最少受關(guān)注的一個(gè)方面。
3、 漏感=1％的磁化電感 很多電源設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)好磁性元件后，把相關(guān)的技術(shù)要求提交給變壓器 制作廠家時(shí)，往往要對(duì)漏感大小要求進(jìn)行說(shuō)明。在很多技術(shù)單上，標(biāo)注著“漏感=1％的磁化電感”或“漏感<2 ％的磁化電感”等類似的技術(shù)要求。其實(shí)這種寫(xiě)法或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)很不專業(yè)。電源設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)電路正常工作 要求,對(duì)所能接受的漏感值作一個(gè)數(shù)值限制。在制作變壓器的過(guò)程中，應(yīng)在不使變壓器的其它參數(shù)（如匝間電容等）變差的情況下盡可能地減小漏感值，而非給出漏感與磁化電感的比例關(guān)系作為技術(shù)要求。因?yàn)槁?感與磁化電感的關(guān)系隨變壓器有無(wú)氣隙變化很大。無(wú)氣隙時(shí)，漏感可能小于磁化電感的 0.1％,而在有氣隙 時(shí)，即使變壓器繞組耦合得很緊密，漏感與磁化電感的比例關(guān)系卻可能達(dá)到 10％。 因此，不要把漏感與磁化電感的比例關(guān)系作為變壓器設(shè)計(jì)指標(biāo)提供給磁性元件生產(chǎn)商。否則，這將表明你不理解漏感知識(shí)或并不真正關(guān)心實(shí)際的漏感值。正確的做法是規(guī)定清楚可以接受的漏感絕對(duì)數(shù)值，當(dāng)然可以加上或減去一定的比例，這個(gè)比例的典型值為 20％。
4、 漏感與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān)系 有些電源設(shè)計(jì)者認(rèn)為，給繞組加上磁芯，會(huì)使繞組耦合更緊密，可降低繞組間的漏感；也有些電源設(shè)計(jì)者認(rèn)為，繞組加上磁芯后，磁芯會(huì)與繞組間的場(chǎng)相互耦合，可增加漏 感量。 而事實(shí)是，在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，兩個(gè)同軸繞組變壓器的漏感與有無(wú)磁芯存在并無(wú)關(guān)系。這一結(jié)果 可能令人無(wú)法理解，這是因?yàn)?，一種相對(duì)磁導(dǎo)率為幾千的材料靠近線圈后，對(duì)漏感的影響很小。通過(guò)幾百 組變壓器的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，有無(wú)磁芯存在，漏感變化值基本上不會(huì)超過(guò) 10％，很多變化只有 2％左右。
5、 變壓器繞組電流密度的優(yōu)化值為 2A/mm2～3.1A/mm2 很多電源設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)高頻磁性元件時(shí)，往往把繞組中的電流密度大小視為優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。其實(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)與繞組電流密度大小并沒(méi)有關(guān)系。 真正有關(guān)系的是繞組中有多少損耗，以及散熱措施是否足夠保證溫升在允許的范圍之內(nèi)。 我們可以設(shè)想一下開(kāi)關(guān)電源中散熱措施的兩種極限情況。當(dāng)散熱分別采用液浸和真空時(shí)，繞線中相應(yīng)的電流密度會(huì)相差較大。 在開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際研制中，我們并不關(guān)心電流密度是多大，而關(guān)心的只是線包有多熱？溫升是否可以接受？ 這種錯(cuò)誤概念，是設(shè)計(jì)人員為了避免繁瑣的反復(fù)試算，而人為所加的限制，來(lái)簡(jiǎn)化變量數(shù)， 從而簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，但這一簡(jiǎn)化并未說(shuō)明應(yīng)用條件 。
6、 原邊繞組損耗=副邊繞組損耗”——優(yōu)化的變壓器設(shè)計(jì) 很多電源設(shè)計(jì)者認(rèn)為優(yōu)化的變壓器設(shè)計(jì) 對(duì)應(yīng)著變壓器的原邊繞組損耗與副邊繞組損耗相等。甚至在很多磁性元件的設(shè)計(jì)書(shū)中也把此作為一個(gè)優(yōu)化 設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。其實(shí)這并非什么優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。在某些情況下變壓器的鐵損和銅損可能相近。但如果原邊 繞組損耗與副邊繞組損耗相差較大也沒(méi)有多大關(guān)系。必須再次強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于高頻磁性元件設(shè)計(jì)我們所關(guān) 心的是在所使用的散熱方式下，繞組有多熱？原邊繞組損耗=副邊繞組損耗只是工頻變壓器設(shè)計(jì)的一種經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。
7、 繞組直徑小于穿透深度——高頻損耗就會(huì)很小繞組直徑小于穿透深度并不能代表就沒(méi)有很大的高頻損耗。如果變壓器繞組中有很多層，即使繞線采用線徑比穿透深度細(xì)得多的漆包線，也可能會(huì)因?yàn)?有很強(qiáng)的鄰近效應(yīng)而產(chǎn)生很大的高頻損耗。因此在考慮繞組損耗時(shí)，不能僅僅從漆包線的粗細(xì)來(lái)判斷損耗大小，要綜合考慮整個(gè)繞組結(jié)構(gòu)的安排，包括繞組繞制方式、繞組層數(shù)、繞線粗細(xì)等。
二、輻射整改措施
先看一下本次項(xiàng)目未整改前的輻射：
垂直方向上雖然都在基線一下但是余量不夠，主要表現(xiàn)在40~50MHz，60~90MHz頻率段，這些輻射量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)該是屬于MOS管、副邊肖特基二極管、回路環(huán)流等較高的dv/dt所致，這會(huì)是我們整改的主要目標(biāo)。具體的優(yōu)化措施如下：
1、Y電容回路影響
不同Y電路回路，垂直方向輻射相差6db以上。
原因分析：Y電容將流過(guò)變壓器的共模電流旁路為差模電流以改善EMI，該回路為輻射干擾源，回路面積越小越好，面積越小EMI越好。
2、RCD回路影響
不同RCD吸收回路布線，垂直方向輻射相差10db。
原因分析：主開(kāi)關(guān)管漏極為強(qiáng)干擾源，RCD吸收用以減弱磁干擾量，RCD越靠近漏極，輻射量越小。
3、半導(dǎo)體供應(yīng)商工藝水平
不同型號(hào)輸出肖特基、MOS管，垂直方向輻射相差3db。
原因分析：在電流連續(xù)模式下，輸出二極管反向恢復(fù)特性不同，di/dt輻射量不一樣。
4、Cds電容
主開(kāi)關(guān)管是否并聯(lián)Cds電容，垂直方向輻射相差3db以上。
原因分析：Cds可減緩開(kāi)關(guān)管的dv/dt，減小輻射量。
5、輸出共模匝數(shù)
輸出是否有合適的共模電感，垂直方向輻射相差6db
原因分析：輸出共模電感可以有效阻礙共模干擾電流通過(guò)輸出線向外輻射能量。
相關(guān)觀點(diǎn)：【具有特殊性】
輻射起始位置超標(biāo)，是電源很常見(jiàn)也很不好整改的點(diǎn)，其他地方增加MOS驅(qū)動(dòng)電阻，Vcc二極管并聯(lián)電容，MOS管并電容，使用雙Y電容都可以得到改善。
80~100MHz是由次級(jí)二極管導(dǎo)致，可以調(diào)整次級(jí)RC吸收，在二極管溫升允許的條件下，減小次級(jí)電壓尖峰；還可以改變Y電容路徑阻抗，減小Y電容容值，Y電容串磁珠、電阻等。
整改結(jié)果：
本文所涉及的知識(shí)僅僅是拋磚引玉的作用，畢竟磁設(shè)計(jì)和輻射整改具有一定的特殊性，不同的結(jié)構(gòu)需要根據(jù)不同情況去考慮，在此提供一些參考希望對(duì)大家有幫助。