Y电容对电源的影响.pdf

Adlsong AN -------------------------------------------- EMI 及无及无 Y 电容充电器的设计电容充电器的设计 Adlsong 摘要：摘要：本文首先介绍了关于 EMI 常规知识以及在开关电源中使用的 各种缓冲吸引电路然后介绍了在 EMI 中和传导相关的共模及差模 电流产生的原理，静点动点的概念，并详细的说明了在变压器的结 构中使用补偿设计的方法最后介绍了 EMI 的发射产生的机理和频 率抖动及共模电感的设计 目前，Y 电容广泛的应用在开关电源中，但 Y 电容的存在使输入和 输出线间产生漏电流具有 Y 电容的金属壳充电器会让使用者 有触电的危险，因此一些制造商目前开始采用无 Y 电容的充电 器然而摘除 Y 电容对 EMI 的设计带来了困难具有频抖和频率调 制的脉宽调制器可以改善 EMI 的性能，但不能绝对的保证充电器通 过 EMI 的测试，必须在电路和变压器结构上进行改进，才能使充电 器满足 EMI 的标准 1 EMI 常识常识 在开关电源中，功率器件高频开通关断的操作导致电流和电压的快 速的变化是产生EMI的主要原因。

在电路中的电感及寄生电感中快速的电流变化产生磁场从而产生较 高的电压尖峰： dtLdiuLL/= 在电路中的电容及寄生电容中快速的电压变化产生电场从而产生较 高的电流尖峰: dtCduiCC/= 图 1: Mosfet 电压电流波形 ------------------------------------ Adlsong AN -------------------------------------------- 磁场和电场的噪声与变化的电压和电流及耦合通道如寄生的电感和 电容直接相关直观的理解， 减小电压率du/dt和电流变化率di/dt及 减小相应的杂散电感和电容值可以减小由于上述磁场和电场产生的 噪声，从而减小EMI干扰 1.1 减小电压率减小电压率du/dt和电流变化率和电流变化率di/dt 减小电压率du/dt和电流变化率di/dt可以通过以下的方法来实现：改 变栅极的电阻值和增加缓冲吸引电路，如图2和图3所示增加栅极 的电阻值可以降低开通时功率器件的电压变化率 R1 R2D图 2: 栅极驱动电路 图3中，基本的RCD箝位电路用于抑止由于变压器的初级漏感在开关 管关断过程中产生的电压尖峰。

L1，L2 和L3可以降低高频的电流的 变化率L1和L2只对特定的频带起作用L3对于工作于CCM模式才 有效 R1C1，R2C2，R3C3，R4C4 和 C5可以降低相应的功率器件 两端的高频电压的变化率 所有的这些缓冲吸引电路都需要消耗一定功率，产生附加的功率损 耗，降低系统的效率；同时也增加元件的数日和PCB的尺寸及系统 的成本，因此要根据实际的需要选择使用 图 3: 缓冲吸引电路 ------------------------------------ Adlsong AN -------------------------------------------- 1.2 减小寄生的电感和电容值减小寄生的电感和电容值 开关器件是噪声源之一，其内部引线的杂散电感及寄生电容也是噪 声耦合的通道，但是由于这些参数是器件固有的特性，电子设计和 应用工程师无法对它们进行优化寄生电容包括漏源极电容和栅漏 极的Miller电容 变压器是另外一个噪声源，而初级次级的漏感及初级的层间电容、 次级的层间电容、初级和次级之间的耦合电容则是噪声的通道初 级或次级的层间电容可以通过减小绕组的层数来降低，增大变压器 骨架窗口的宽度可在减小绕组的层数。

分离的绕组如初级采用三明 治绕法可以减小初级的漏感，但由于增大了初级和次级的接触面 积，因而增大了初级和次级的耦合电容采用铜皮的Faraday屏蔽可 以减小初级与次级间的耦合电容Faraday屏蔽层绕在初级与次级之 间，并且要接到初级或次级的静点如初级地和次级地Faraday屏蔽 层使初级和次级的耦合系数降低，从而增加了漏感 2 传导干扰传导干扰 2.1 LISN EMI测试由传导干扰CE和辐射干扰RE组成，这两种噪声分开的检测 和评价对于不同的应用，不同的地区和国家都有相应的标准，这 些标准对于频段的宽度和限制值都作了十分明确的定义例如对于 充电器属于FCC15/EN55022 CLASS B，传导干扰测量的频率范 围为0.15MHz到30MHz，辐射干扰测量的频率范围为30MHz到 1GHz 具体的内容可以参考相关的标准FCC，CIRPR和EN等 传导干扰指在输入和输出线上流过的干扰噪声，测试的方法见图4所 示待测试的设备EUT通过阻抗匹配网络LISN（或人工电源网络） 连接到干净的交流电源上 图4: LISN 及EUT测试 LISN的作用如下： ------------------------------------ Adlsong AN -------------------------------------------- 1) 隔离待测试的设备EUT和交流输入电源，滤除由输入电源线引入 的噪声及干扰。

2) EUT产生的干扰噪声依次通过LISN内部的高通滤波器和50 Ω电 阻，在50 Ω电阻上得到相应的信号值送到接收机进行分析 由图4可见：EUT放置在绝缘的测试台上，测试台下部装有接地良好 的铁板，测试台及铁板的尺寸和安装都在特定的规定 传导干扰来源于差模电流噪声和共模电流噪声，这两种类型的噪声 干扰见图5所示Y电容直接和传导干扰相关 图5: 差模电流和共模电流 差模电流在两根输入电源线间反方向流动，两者相互构成电流回 路，即一根作为差模电流的源线，一根作为差模电流的回线共模 电流在两根输入电源线上同方向流动，它们分别与大地构成电流回 路，即同时作为共模电流的源线或回线 2.2 变压器模型变压器模型 变压器所包含的寄生电容的模型见图6中所示 ① Cp: 初级绕组的层间电容 ② Coe: 输出线到大地的电容 ③ Cme: 磁芯到大地的电容 ④ Ca: 最外层绕组到磁芯的电容 ⑤ Ct: 辅助绕组到次级绕组的电容 ⑥Cs: 初级绕组到次级绕组的电容. ⑦ Cm: 最内层初级绕组到磁芯的电容 ------------------------------------ Adlsong AN -------------------------------------------- 图6: 变压器寄生电容 2.3 差模电流差模电流 差模电流噪声主要由功率开关器件的高频开关电流产生。

① 功率器件开通 在功率器件开通瞬间存在电流的尖峰，图7所示 图7: 开通电流尖峰 开通电流尖峰由三部分组成： (1) 变压器初级绕组的层间电容充电电流 (2) MOSFET漏源极电容的放电电流 (3) 工作在CCM模式的输出二极管的反向恢复电流 开通电流尖峰不能通过输入滤波的直流电解电容旁路，因为输入滤 波的直流电解电容有等效的串联电感ESL和电阻ESR，这样就产生的 差模电流在电源的两根输入线间流动注意：MOSFET漏源极的电 容的放电电流对差模电流噪声无影响，但会产生辐射干扰 ------------------------------------ Adlsong AN -------------------------------------------- 图 8: 功率器件开通瞬间的差模电流 功率器件开通瞬间形成的差模电流为IDM 为： CinRCpDMInIII−+= 对于变压器而言，初级绕组两端所加的电压高，初级绕组的层数 少，层间的电容越少，然而在很多应用中由于骨架窗口宽度的限制 并为了保证合适的饱和电流，初级绕组通常用多层结构本设计针 对四层的初级绕组结构进行讨论。

图9: 开关管开通时初级绕组层间电流流动方向 对于常规的四层初级绕组结构，在开关管开通和关断的过程中，层 间的电流向同一个方向流动在图9中，在开关管开通时，源极接到A B ------------------------------------ Adlsong AN -------------------------------------------- 初级的地，B点电压为0，A点电压为Vin，基于电压的变化方向，初 级绕组层间电容中电流流动方向向下，累积形成的差模电流值大 ② 功率器件关断 在功率器件关断瞬间，MOSFET漏源极电容的充电，变压器初级绕 组的层间电容放电，这两部分电流也会形成差模电流，如图10所 示 图10: 功率器件关断瞬间的差模电流 功率器件关断瞬间形成的差模电流为IDM 为： CinCpgCdsDMIIIII−−+=. 图11: 开关管关断时初级绕组层间电流流动方向 ------------------------------------ Adlsong AN -------------------------------------------- 同样，基于电压的变化方向，初级绕组层间电容中的电流流动方向 向上，累积形成的差模电流值大。

③功率开关工作于开关状态，开关电流（开关频率）的高次谐波也 会因为输入滤波的直流电解电容的ESL和ESR形成差模电流 图12: 开关电流形成的差模电流 差模电流可以通过差模滤波器滤除，差模滤波器为由电感和电容组 成的二阶低通滤波器从PCB设计而言，尽量减小高的di/dt的环路并 采用宽的布线有利于减小差模干扰 由于滤波器的电感有杂散的电容，对于高频的干扰噪声可以由杂散 电容旁路，使滤波器不能起到有效的作用用几个电解电容并联可 以减小ESL和 ESR，在小功率的充电器中由于成本的压力不会用X电 容，因此在交流整流后要加一级LC滤波器，图13所示 Cin2Vin1234ESLESRLCinESLESRCin3VoRC图13: DM滤波器 如果对变压器的结构进行改进，如图14和15所示，通过补偿的方式 可以减小差模电流注意：初级绕组的热点应该埋在变压器的最内 层，外层的绕组起到屏蔽的作用 ------------------------------------ Adlsong AN -------------------------------------------- 同样的基于电压的变化方向，可以得到初级绕组层间电容的电流流 动的方向，由图 14 和 15 所示可以看到，部分的层间电流由于方向 相反可以相互的抵消，从而得到补偿。

图14: 新结构开关管开通时初级绕组层间电流流动方向 图15: 新结构开关管关断时初级绕组层间电流流动方向 2.4 共模电流共模电流 共模电流在输入及输出线与大地间流动，其产生主要是功率器件高 频工作时产生的电压的瞬态的变化共模电流的产生主要有下面几 部分： ------------------------------------ Adlsong AN -------------------------------------------- ① 通过MOSFET源级到大地的电容Cde如果改进IC的设计，如对 于单芯片电源芯片，将MOSFET源极连接到芯片基体用于散热，而不 是用漏极进行散热，这样可以减小漏极对大地的寄生电容PCB布线 时减小漏极区铜皮的面积可减小漏极对大地的寄生电容，但要注意 保证芯片的温度满足设计的要求 ②通过Cm 和Cme产生共模电流 ③ 通过Ca 和 Cme产生。