您當(dāng)前的位置：檢測(cè)資訊 > 科研開(kāi)發(fā)
嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2020-11-07 18:36
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)充電器和一些特殊電器會(huì)讓使用者有觸電的危險(xiǎn)，因此這些設(shè)備的制造商目前開(kāi)始采用無(wú)Y電容的設(shè)計(jì)，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：
VL = LS · diL /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 = C · duc /dt
圖1：MOSFET電壓和電流波形
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，減小電壓變化率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 減小電壓變化率du/dt和電流變化率di/dt
減小電壓變化率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。
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。
R1/C1，R2/C2，R3/C3，R4/C4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)目和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，寄生電容包括漏源極電容和柵漏極的Miller電容，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)行完全的抑制。減小開(kāi)關(guān)管所在回路的尺寸并用寬的PCB 銅箔，可以最大限度地減小寄生電感。
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)部的高通濾波器和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(lèi)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。
理論上1MHz以?xún)?nèi)主要是差模干擾，增大 X 電容就可以濾除差模干擾。5MHz以上主要是共摸干擾，可以通過(guò)以下方式濾除共摸干擾：
① 輸入或輸出加共模電感。
② 加大對(duì)地Y電容，改變Y電容的連接方式。
③ 調(diào)整輸出的動(dòng)點(diǎn)和靜點(diǎn)位置。
④ 變壓器外面包銅皮，內(nèi)部加銅皮屏蔽層。
⑤ 變壓器輸出端和它連接的二極管或次極同步整流管之間串聯(lián)小磁珠。
⑥ 輸出整流二極管或次極同步整流管加吸收電路。
1MHz-5MHz同時(shí)存在著差模、共模干擾，而且后面還會(huì)分析，差模和共摸干擾可以相互轉(zhuǎn)化，因此在很多的系統(tǒng)中，非常難嚴(yán)格的區(qū)分差模、共模干擾，采用輸入端并接更多電容并不能有效的完全濾除差摸干擾去分析干擾超標(biāo)的差模和共模類(lèi)型。
2.2 變壓器模型
變壓器包含寄生電容的模型見(jiàn)圖6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。
⑥ Cs：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。
圖6：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
功率器件在開(kāi)通的瞬間，存在著電流的尖峰，如圖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)。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。
圖8：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：
IDM = ICp + n·IR - ICin
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。
圖9：開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)初級(jí)繞組層間電流方向
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：
IDM = ICds + Ig - ICp - ICin
圖11：開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)初級(jí)繞組層間電流方向
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)
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。
圖12：開(kāi)關(guān)電流形成的差模電流
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，如圖13所示。
圖13：差模濾波器
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)姆绞娇梢詼p小差模電流。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
圖15：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：
① 通過(guò)MOSFET源級(jí)到大地的電容Cde。
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。
對(duì)于電容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。
通過(guò)Cs和Coe產(chǎn)生共模電流部分在總的共模電流中占主導(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。
圖16：共模電流產(chǎn)生
圖17：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。
電壓沒(méi)有變化的點(diǎn)稱(chēng)為靜點(diǎn)或冷點(diǎn)，電壓變化的點(diǎn)稱(chēng)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18中，A、B和Vin為冷點(diǎn)，E、D、和C為熱點(diǎn)；而圖19中，A、Vcc、Vin和Vo為冷點(diǎn)，D、F和G為熱點(diǎn)。
圖18：冷點(diǎn)位置
圖19：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)。
電流及電壓的變化是產(chǎn)生差模及共模電流的主要原因，也是影響EMI的最主要的原因，特別是電壓變化，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)繞組以及輔助繞組和次級(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。
圖20：初級(jí)與次級(jí)繞組及輔助和次級(jí)繞組共模電流
圖21：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
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。
圖22：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?xún)烧唛g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)窒瑥亩档凸材ｋ娏鳌?/span>
圖23：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(zhuān)門(mén)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。
圖24：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。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。
圖25：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，這也是多層PCB板的設(shè)計(jì)中經(jīng)常將第二層作為完整的地層的原因。
圖26: 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28：輸出線發(fā)射
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40~60M間的電場(chǎng)發(fā)射。
通常40-60MHz干擾由功率 MOSFET的快速開(kāi)通和關(guān)斷產(chǎn)生，特別是次級(jí)同步整流管的關(guān)斷，對(duì)這個(gè)頻率段EMI影響非常大。有些資料認(rèn)為可以用增大 MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電阻可以進(jìn)行抑止，事實(shí)上很多時(shí)候這個(gè)方法并不有效，比較有效的方法是并接RC緩沖吸收電路，并且吸收電容C要足夠大，將dV/dt降到一定的值如2V/ns以下，才可以保證系統(tǒng)EMI有足夠的裕量，吸收電阻R的值將影響系統(tǒng)的效率和電壓尖峰。
80-150MHz干擾與輸出整流二極管的反向恢復(fù)特性或次級(jí)同步整流管的關(guān)斷特性相關(guān)，在輸出整流二極管或次級(jí)同步整流管的漏極串聯(lián)具有特征阻抗的小磁珠，可以有效的抑止這個(gè)頻段的干擾。當(dāng)然有些客戶不太喜歡采用這種方案，那么就要采用其它的方法或?qū)ζ骷旧磉M(jìn)行優(yōu)化。
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)，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较蚴窍喾吹模梢韵嗷サ牡窒?，平衡的條件下磁芯中的磁通為0，因此共模電感不會(huì)因?yàn)檩敵龅呢?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)。
圖29: 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 = w·L
對(duì)于輸入交流的共模電感，設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮到電感對(duì)于輸入50Hz信號(hào)必須是幾乎沒(méi)有衰減的全部通過(guò)。
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，通常基于PCB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 /AL）0.5
⑤ 計(jì)算導(dǎo)線的線徑
導(dǎo)線允許通過(guò)的電流密度選取為：400~800A/cm²，由此可以得到要求的線徑。
3.3 頻抖Jitter和頻率調(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。
芯片有頻抖和頻率調(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。頻抖和頻率調(diào)制的原理見(jiàn)圖28所示。
從圖31至圖34可以看到：沒(méi)有頻抖和頻率調(diào)制時(shí)諧波分布窄，噪聲值在諧波頻率點(diǎn)處較高。有頻抖和頻率調(diào)制時(shí)，諧波值平滑而且較小，從圖31至圖34還可以看出：頻抖和頻率調(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)，由于頻抖和頻率調(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30：頻抖和頻率調(diào)制原理
圖31：傳導(dǎo)測(cè)試無(wú)頻抖和頻率調(diào)制準(zhǔn)峰值和平均值
圖32：傳導(dǎo)測(cè)試有頻抖和頻率調(diào)制準(zhǔn)峰值和平均值
圖33：輻射測(cè)試無(wú)頻抖和頻率調(diào)制水平和垂直值
圖34：輻射測(cè)試有頻抖和頻率調(diào)制水平和垂直值
EMI的傳導(dǎo)和輻射的標(biāo)準(zhǔn)是使用準(zhǔn)峰值和平均值，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中由于準(zhǔn)峰值的測(cè)量速度慢非常耗時(shí)間，所以通常使用峰值和平均值來(lái)測(cè)量。如果峰值低于準(zhǔn)峰值標(biāo)準(zhǔn)6dB或7dB以上，那么認(rèn)為測(cè)試通過(guò)；如果峰值和準(zhǔn)峰值標(biāo)準(zhǔn)的差值不到6dB或7dB，那么就通過(guò)讀點(diǎn)的方法測(cè)量實(shí)際的準(zhǔn)峰值，檢查是否可以通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。
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。
（a）常規(guī)結(jié)構(gòu) （b）新的結(jié)構(gòu)
圖35：初級(jí)和次級(jí)靜點(diǎn)電壓波形
（電壓：5V/格, 時(shí)間：4us/格)
（a）常規(guī)結(jié)構(gòu) （b）新的結(jié)構(gòu)
圖36：磁芯電壓波形
（電壓：5V/格, 時(shí)間：4us/格)
附錄
1、本設(shè)計(jì)采用變壓器結(jié)構(gòu)，芯片沒(méi)有頻抖和頻率調(diào)制功能，芯片需要輔助繞組供電
① 內(nèi)層銅皮屏蔽層，銅皮寬度小于初級(jí)繞組寬度，中點(diǎn)引線接到Vin。
② 二層初級(jí)繞組。繞制要盡量的平齊，不要漏圈和錯(cuò)圈。另外二層初級(jí)繞組。繞制要盡量的平齊，不要漏圈和錯(cuò)圈。如此繞制漏極所接的初級(jí)端埋在內(nèi)部。
③ 第二層銅皮屏蔽層，銅皮寬度小于初級(jí)繞組寬度，中點(diǎn)引線接到Vin。
④ 次級(jí)繞組。
⑤ 輔助屏蔽繞組，起點(diǎn)接Vcc，另一端浮空，與輔助繞組同方向同圈數(shù)繞制。
⑥ 輔助繞組。
擋墻僅繞在初級(jí)側(cè)，次級(jí)側(cè)不用擋墻。初級(jí)、屏蔽和輔助繞組緊靠靠骨架窗口初級(jí)側(cè)對(duì)齊繞制，次級(jí)繞組緊靠窗口次級(jí)側(cè)對(duì)齊繞制，兩者錯(cuò)開(kāi)減小寄生電容。次級(jí)繞組與輔助屏蔽繞組及屏蔽銅皮層至少加二層絕緣膠帶。
2、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。
圖附1：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)。具體的各繞組的在骨架內(nèi)的分布如下圖所示。
圖附2：PI變壓器的結(jié)構(gòu)
3、余量更大變壓器結(jié)構(gòu)，芯片沒(méi)有頻抖和頻率調(diào)制功能，芯片需要輔助繞組供電
① 內(nèi)層屏蔽繞組，與初級(jí)同線徑同單層圈數(shù)，且和最內(nèi)層初級(jí)同方向繞制，繞制起點(diǎn)接初級(jí)的地，另一端浮空。
② 四層初級(jí)繞組。繞制要盡量的平齊，不要漏圈和錯(cuò)圈。
③ 第二層屏蔽繞組，與初級(jí)同方向繞制，起點(diǎn)接初級(jí)的母線電壓點(diǎn)。
④ 銅皮屏蔽層，銅皮寬度小于初級(jí)繞組寬度，中點(diǎn)引線接到初級(jí)地。
⑤ 輔助繞組。
⑥ 次級(jí)繞組。
擋墻僅繞在初級(jí)側(cè)，次級(jí)側(cè)不用擋墻。初級(jí)、屏蔽和輔助繞組緊靠靠骨架窗口初級(jí)側(cè)對(duì)齊繞制，次級(jí)繞組緊靠窗口次級(jí)側(cè)對(duì)齊繞制，兩者錯(cuò)開(kāi)減小寄生電容，次級(jí)繞組與輔助繞組間至少加三層絕緣膠帶。
參考文獻(xiàn)
Bob Mammano and Bruce Carsten, TI seminar: Understanding and Optimizing Electromagnetic Compatibility in SMPS
來(lái)源：松哥電源
關(guān)于我們 聯(lián)系我們 營(yíng)業(yè)執(zhí)照 全國(guó)服務(wù)電話：400-818-0021 嘉峪檢測(cè)版權(quán)所有 備案號(hào)：京ICP備14047019號(hào)-2 
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
