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(gè)行業(yè)，對(duì)應(yīng)而來的各個(gè)行業(yè)的特別要求也就不約而來，其中就有對(duì)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(huì)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(duì)于在做EMC相關(guān)認(rèn)證時(shí)，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(huì)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?cè)谕ǔＧ闆r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電容的金屬殼電話機(jī)、手機(jī)充電器、醫(yī)療設(shè)備等會(huì)讓使用者有觸電的危險(xiǎn)，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(huì)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(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(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。

　　開關(guān)管的導(dǎo)通電流尖峰由三部分組成：

　?。?）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；

　?。?）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(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)，在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的過程中，層間的電流向同一個(gè)方面流動(dòng)，在圖1中在開關(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(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。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(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)，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(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。

　　如果按圖3（a）結(jié)構(gòu)安排冷點(diǎn)和繞組，在沒有Y電容時(shí)，基于電壓改變的方向，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，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?/p>

　　測試結(jié)果

　　浮空電壓波形

　　測量變壓器初級(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)測試提供一些參考（見圖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關(guān)頻率的開關(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。