《電子技術(shù)應(yīng)用》
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EMI及無Y電容手機(jī)充電器的設(shè)計(jì)
摘要: 在開關(guān)電源中,,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,。加緩沖吸收電路有利于降低EMI,但會(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,。
Abstract:
Key words :

在開關(guān)電源中,,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,。加緩沖吸收電路有利于降低EMI,但會(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。

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(huì)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)充電器會(huì)讓使用者有觸電的危險(xiǎn),,因此,,一些手機(jī)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:(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(chǎng),。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(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果

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(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,。

傳導(dǎo)及輻射測(cè)量

如圖5所示,,從測(cè)試結(jié)果看,即使出除了Y電容,,由于對(duì)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(cè)試的要求。

結(jié)語(yǔ)

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(duì)高頻輻射的影響不明顯。

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