雖是老生常談，但又標(biāo)新立異，引人注目。因?yàn)?a href="http://www.e-ticket.cn/eestar/author-555459/column-146" target="_blank" rel="noopener">傳導(dǎo)輻射相關(guān)專題對(duì) EMI 的原因和解決方案已經(jīng)給出了非常好的解釋，感興趣的請(qǐng)查看。本文將只關(guān)注反激變壓器電容產(chǎn)生的 CM 干擾。我們還將討論通過變壓器設(shè)計(jì)和構(gòu)造來最小化 CM EMI 的技術(shù)。
圖1 由于初級(jí)-次級(jí)繞組間電容上的開關(guān)電壓波形，CM 電流從初級(jí)流向次級(jí)
圖 1顯示了在初級(jí)和次級(jí)變壓器繞組之間流動(dòng)的 CM 電流 ICM，這是由施加在繞組間電容上的電壓波形引起的。 由于初級(jí)電壓擺幅通常遠(yuǎn)大于次級(jí)電壓（對(duì)于離線 AC/DC 應(yīng)用），ICM 將從初級(jí)流向次級(jí)。 然后 ICM 將通過從輸出電路到大地的阻抗流入大地，從而導(dǎo)致潛在的 CM 干擾問題。
在許多應(yīng)用中，輸出返回（負(fù) VOUT）端子通常無論如何都直接接地 - 導(dǎo)致最壞情況的潛在 CM EMI 結(jié)果。 這種 CM EMI 需要使用 CM 濾波器扼流圈和 Y 電容器的組合在電源輸入處進(jìn)行濾波。 從源頭上降低 CM EMI 的任何步驟都可以顯著降低 EMI 濾波器的成本、尺寸和功率損耗。
為了最小化 CM EMI，您可以構(gòu)建變壓器以最小化繞組間電容，從而最小化 ICM。 然而，降低電容通常涉及增加初級(jí)和次級(jí)繞組之間的電介質(zhì)間距的厚度（將它們進(jìn)一步分開），和/或減少它們之間重疊的表面積。 這兩種變化都會(huì)導(dǎo)致初級(jí)到次級(jí)耦合變差和漏電感增加。 請(qǐng)記住，增加漏電感會(huì)增加損耗。 因此，通常需要在效率的低漏電感結(jié)構(gòu)與 EMI 的低電容之間進(jìn)行權(quán)衡。
一、EMI 緩解方法 I – 變壓器屏蔽
添加到變壓器時(shí)，靜電屏蔽有助于降低 CM EMI [1]。 如前所述，屏蔽層應(yīng)盡可能薄，以最大限度地減少由于鄰近效應(yīng)引起的屏蔽層中的渦流損耗。
屏蔽通常連接回本地初級(jí)接地，如圖 2 所示，或有時(shí)連接到輸入 DC 大容量電容器的正極端子 - 這是可能的，因?yàn)樵擖c(diǎn)也是一個(gè)安靜的交流接地。 屏蔽就位后，ICM 將流入屏蔽并返回本地初級(jí)接地，而不是流向輸出并從那里返回接地。
圖2 初級(jí)和次級(jí)之間帶有屏蔽層的反激式變壓器
即使 ICM 被屏蔽層捕獲并返回到本地初級(jí)接地，屏蔽層和次級(jí)繞組之間仍然存在電容。 由于一匝屏蔽中的感應(yīng)電壓與次級(jí)繞組中的感應(yīng)電壓不同（除非您使用一匝次級(jí)），因此在屏蔽和次級(jí)之間仍有一些共模電流流動(dòng)。 因此，雖然屏蔽有助于極大地衰減共模 EMI，但屏蔽并不能完全消除它。 交錯(cuò)繞組的一個(gè)缺點(diǎn)是初級(jí)次級(jí)界面的數(shù)量增加——通常需要更多的屏蔽層，每個(gè)初級(jí)-次級(jí)界面一個(gè)。
二、EMI 緩解方法 II – CM 消除繞組和 CM 平衡
作為屏蔽的替代方案，您可以引入一個(gè)單獨(dú)的輔助消除繞組 NAUX，如圖 3所示。輔助繞組的極性定向?yàn)楫a(chǎn)生與從初級(jí)注入的電流極性相反的消除電流。 通過調(diào)整匝數(shù) NAUX 和次級(jí)輔助電容 CS_AUX，可以使 ICM2 的幅度等于 ICM1。 因此，初級(jí)的 ICM1 被取消，接近零的凈 CM 電流將流向輸出，并從那里流向大地。
圖3 帶有附加輔助消除繞組的反激變壓器
這種方法取決于對(duì) CS_AUX 值的嚴(yán)格制造控制。 如果 CS_AUX 變化，則 CM 置零將不完美。 即使制造商嚴(yán)格控制 CS_AUX 電容，其值也可能會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化以及變壓器內(nèi)部自熱引起的溫度變化而變化。 在電源的整個(gè)生命周期中，電容也會(huì)隨著多次加熱/冷卻循環(huán)而發(fā)生變化，導(dǎo)致絕緣膠帶隨著時(shí)間的推移膨脹、壓縮和硬化——這樣電容器的電介質(zhì)厚度就會(huì)發(fā)生變化。
作為取消 CM 的替代方法，您可以安排變壓器繞組以實(shí)現(xiàn) CM 平衡。 使用這種方法，繞組間電容兩端的平均電壓被安排為相同的幅度和極性，從而以不依賴于電容本身值的方式最小化或消除通過寄生電容的共模電流。
圖 4 顯示了一個(gè)示例，其中像以前一樣在初級(jí)和次級(jí)繞組之間部署了屏蔽 - 但不是將屏蔽連接到交流接地，而是由輔助繞組驅(qū)動(dòng)，NAUX = ½ NSEC。 這確保屏蔽上的平均電壓與次級(jí)繞組上的平均電壓相同。 由于 CSEC_SHIELD 兩端的平均電壓相同，對(duì) CM 來說是平衡的，因此從屏蔽層到次級(jí)繞組的平均 CM 電流將為零。
圖4 反激變壓器與盾加輔助繞組為CM的平衡
三、CM 平衡 – 設(shè)計(jì)實(shí)例
圖 5是反激變壓器繞組結(jié)構(gòu)中 CM 平衡的示例實(shí)現(xiàn)。 圖6 顯示了等效原理圖，其中繞組的顏色與等效的物理繞組相匹配。 這種結(jié)構(gòu)是交錯(cuò)的，初級(jí)分成兩個(gè)半初級(jí)，所有其他繞組夾在中間。
圖5具有CM平衡的反激變壓器繞組結(jié)構(gòu)
圖6 反激變壓器的等效原理圖如圖5所示
內(nèi)部半初級(jí)和次級(jí)之間是一個(gè)輔助繞組，具有多種功能。 首先，作為初級(jí)側(cè)偏置繞組（粉紅色股線），它為初級(jí)控制器提供偏置電源。 其次，它由多個(gè)平行股線（粉紅色和灰色股線）纏繞，填充整個(gè)骨架寬度并用作內(nèi)部半初級(jí)和次級(jí)繞組之間的屏蔽層。 第三，有額外的匝數(shù)（灰色線），以便該層中的總匝數(shù)與次級(jí)繞組匝數(shù)相匹配，以實(shí)現(xiàn)各層之間的 CM 平衡。
屏蔽層（紫色）放置在次級(jí)和外半初級(jí)之間的另一個(gè)界面處。 同樣，在這種情況下，屏蔽不連接到交流地，而是由輔助繞組上的抽頭驅(qū)動(dòng)，這樣屏蔽上的平均電壓與次級(jí)上的平均電壓相匹配，再次實(shí)現(xiàn) CM 平衡。
使用圖 6中的原理圖，使用電路中的電壓來解釋這種安排。 輸出電壓約為 20 V，因此副邊反激階段的平均電壓約為 10 V。對(duì)于 6T 副邊，這相當(dāng)于 1.67 V/T。 NB1 是一個(gè) 4T 繞組，用于生成所需的偏置軌，而 NB2 包含另外的 2T，總共 6T 的輔助繞組與 6T 次級(jí)繞組相匹配。 因此，輔助和次級(jí)之間的電容在兩側(cè)具有相同的電壓波形和幅度，因此是CM平衡的。
3T后的NB1繞組上有一個(gè)抽頭來驅(qū)動(dòng)屏蔽。 因此，平均屏蔽電壓也將是 10 V。再次，次級(jí)繞組和屏蔽層上的相同平均電壓 (10 V) 實(shí)現(xiàn)了 CM 平衡。 這種安排的主要優(yōu)點(diǎn)是它不依賴于寄生電容的值，或?qū)⑵淇刂茷樗璧闹怠?無論電容值或變化如何，都可以確保 CM 平衡。
在實(shí)踐中，需要根據(jù)特定應(yīng)用程序的情況調(diào)整用于實(shí)現(xiàn) CM 平衡的實(shí)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)。 通常，找出給定案例的最佳實(shí)現(xiàn)涉及反復(fù)試驗(yàn)。
很難估計(jì)在變壓器內(nèi)部應(yīng)用 CM 緩解與外部 CM EMI 濾波之間的成本/性能權(quán)衡。 變壓器內(nèi)部的屏蔽層和 CM 平衡層會(huì)增加變壓器的材料和人工成本——但它們可以非常有效地降低 CM 噪聲，而不會(huì)顯著增加整體尺寸或功率損耗。 另一方面，添加外部 CM 濾波器扼流圈或增加其尺寸/電感相對(duì)簡單。 但這會(huì)產(chǎn)生額外成本，因?yàn)橥獠?CM 扼流圈會(huì)占用更多空間并產(chǎn)生額外損失。
還有一點(diǎn)很重要：圖 6中的次級(jí)側(cè)整流器顯示在傳統(tǒng)的高側(cè)位置。 但是將整流器（二極管或同步整流器 [SR]）置于低側(cè)（便于柵極驅(qū)動(dòng)）將改變次級(jí)繞組相對(duì)于輔助/偏置層的極性。 這意味著需要一個(gè)極性相反的繞組來驅(qū)動(dòng)屏蔽——理想情況下，反向輔助繞組和偏置整流二極管放置在返回腿上。 這將保留所有相對(duì)繞組極性并保持 CM 平衡。
但是，如果您還使用輔助/偏置繞組進(jìn)行初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié) (PSR)，則不可能將偏置整流二極管放在回路支路中。 在這種情況下，屏蔽驅(qū)動(dòng)繞組 NB2 必須以相反的方向纏繞，匝數(shù)適當(dāng)，以提供與次級(jí)層所需的平衡。 在這種情況下，在回路支路中有次級(jí)整流器的情況下，在次級(jí)兩側(cè)使用兩個(gè)屏蔽（由反相繞組 NB2 = ½ NSEC 驅(qū)動(dòng)）會(huì)更簡單且更具成本效益。