開關(guān)電源充電器EMI無Y電容的設(shè)計(jì)

　　在開關(guān)電源不斷應(yīng)用到各個行業(yè)，對應(yīng)而來的各個行業(yè)的特別要求也就不約而來，其中就有對于一些電話機(jī)、手機(jī)充電器、醫(yī)療設(shè)備及各類敏感設(shè)備……在這類設(shè)備應(yīng)用中的開關(guān)電源，各大廠商都會不約而同的要求，要采用極小的Y電容設(shè)計(jì)、更或者無Y設(shè)計(jì)，這樣對于在做EMC相關(guān)認(rèn)證時，提出了更高的挑戰(zhàn)。

　　在開關(guān)電源中，由于功率器件高頻導(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。那么我們添加緩沖吸收電路有利于降低EMI，但是卻又會產(chǎn)生過多的功耗，增加元件數(shù)量、PCB尺寸及系統(tǒng)成本。

　　所以，我們在通常情況下，系統(tǒng)前端要加濾除器和Y電容，Y電容的存在會使輸入和輸出線間產(chǎn)生漏電流，具有Y電容的金屬殼電話機(jī)、手機(jī)充電器、醫(yī)療設(shè)備等會讓使用者有觸電的危險，因此，一些電話機(jī)、手機(jī)充電器、醫(yī)療設(shè)備制造商開始采用無Y電容的充電器，然而，去除Y電容會給EMI的設(shè)計(jì)帶來困難，本文將介紹無Y電容的開關(guān)電源充電器變壓器補(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，變壓器是另外一個噪聲源，而初級/次級的漏感及層間電容、初級和次級間的耦合電容則是噪聲的通道，初級或次級的層間電容可以通過減少繞組的層數(shù)來降低，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，如初級采用三明治繞法，可以減小初級的漏感，但由于增大了初級和次級的接觸面積，因而增大了初級和次級的耦合電容，采用銅皮的Faraday屏蔽可以減小初級與次級間的耦合電容。Faraday屏蔽層繞在初級與次級之間，并且要接到初級或次級的靜點(diǎn)，如初級地和次級地。Faraday屏蔽層會使初級和次級的耦合系統(tǒng)降低，從而增加了漏感。

　　開關(guān)管的導(dǎo)通電流尖峰由三部分組成：

　?。?）變壓器初級繞組的層間電容充電電流；

　?。?）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)生的差模電流會在電源的兩根輸入線間流動，對于變壓器而言，初級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，初級繞組通常用多層結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)針對4層的初級繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論。

　　對于常規(guī)的4層初級繞組結(jié)構(gòu)，在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的過程中，層間的電流向同一個方面流動，在圖1中在開關(guān)管導(dǎo)通時，原極接到初級的地，B點(diǎn)電壓為0，A點(diǎn)電壓為Vin，基于電壓的變化方向，初級繞組層間電容中電流流動的方向向下，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，變壓器初級繞組的層間電容放電，這兩部分電流也會形成差模電流，同樣，基于電壓的變化方向，初級繞組層間電容中的電流流動方向向上，累積形成的差模電流值大。

　　差模電流可以通過差模濾波器濾除，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用X電容，因此，在交流整流后要加一級LC濾波器。

　　如果對變壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如圖1所示，通過補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢詼p小差模電流。注意：初級繞組的熱點(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，主要有下面幾部分可通過MOSFET源級到大地的電容Cde。如果改進(jìn)IC的設(shè)計(jì)，如對于單芯片電源芯片，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大地的寄生電容，PCB布線時減小漏極區(qū)銅皮的面積可減小漏極對大地的寄生電容，但要注意保證芯片的溫度滿足設(shè)計(jì)的要求；通過Cm和Cme產(chǎn)生共模電流；通過Ca和Cme產(chǎn)生共模電流，通過Ct和Coe產(chǎn)生共模電流，通過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，但這樣會使MOSFET承受大的電流應(yīng)力，其溫度將增加，同時加大漏-源極電容，產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場。如果系統(tǒng)加了Y電容，如圖2所示，通過Cs的大部分共模電流被Y電容旁路，返回到初級的地，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和次級的冷點(diǎn)，如果導(dǎo)通時MOSFET的dV/dt大于關(guān)斷時的值，Y電容則連接到初級的地，反之連接到Vin。

　　電壓沒有變化的點(diǎn)稱為靜點(diǎn)或冷點(diǎn)，電壓變化的點(diǎn)稱為動點(diǎn)或熱點(diǎn)，初級的地和Vin都是冷點(diǎn)，對于輔助繞組和輸出繞組，冷點(diǎn)可以通過二極管的位置進(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電容無法有效地旁路共模電流，導(dǎo)致共模電流噪聲過大，無法通過測試，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Y電容的情況下通過EMI的測試，由于MOSFET漏極端的電壓變化幅值大，主要針對這個部位進(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，寄生電容是其流動的通道，前面提到，Cm、Cme、Cme和Ca也會產(chǎn)生共模電流，初級層間電容的電流一部分形成差模電流，有一部分也會形成共模電流，這也表明差模和共模電流可以相互轉(zhuǎn)換。

　　如果按圖3（a）結(jié)構(gòu)安排冷點(diǎn)和繞組，在沒有Y電容時，基于電壓改變的方向，可以得到初級與次級繞組及輔助繞組和次級繞組層間電容的電流方向，初級繞組和輔助繞組的電流都流入次級繞組中，調(diào)整冷點(diǎn)后如圖3（b）所示，可以看出，初級與次級繞組及輔助繞組和次級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，注意冷點(diǎn)要盡量靠近，因此兩者間沒有電壓的變化，所以不會產(chǎn)生共模電流。如果在內(nèi)層及初級、次級繞組間放置銅皮，銅皮的寬度小于或等于初級繞組的寬度，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，內(nèi)外層銅皮的方向要一致。輔助繞組和次級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繞組保持一致，輔助屏蔽繞組與次級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，所以兩者間沒有電流流動，

　　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?/p>

　　測試結(jié)果

　　浮空電壓波形

　　測量變壓器初級和次級靜點(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)測試提供一些參考（見圖4）。常規(guī)結(jié)構(gòu)變壓器的初級和次級靜點(diǎn)電壓波形的幅值為10V，并且可以明顯地看到基于開關(guān)頻率的開關(guān)波形，新結(jié)構(gòu)變壓器的初級和次級靜點(diǎn)電壓波形的幅值為5V，基于開關(guān)頻率的開關(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關(guān)頻率的開關(guān)波形，新結(jié)構(gòu)的變壓器的磁芯電壓波形的幅值為5V，基于開關(guān)頻率的開關(guān)波形不是很明顯。

　　傳導(dǎo)及輻射測量如圖5所示，從測試結(jié)果看，即使出除了Y電容，由于對變壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化補(bǔ)償，因此可以通過測試的要求。

　　結(jié)語

　　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?/p>

　　3、變壓器內(nèi)部補(bǔ)償對高頻輻射的影響不明顯。