摘要

本文首先介紹了關(guān)于EMI 常規(guī)知識(shí)以及在開關(guān)電源中使用的各種緩沖吸引電路。

然后介紹了在EMI中和傳導(dǎo)相關(guān)的共模及差模電流產(chǎn)生的原理，靜點(diǎn)動(dòng)點(diǎn)的概念，并詳細(xì)的說明了在變壓器的結(jié)構(gòu)中使用補(bǔ)償設(shè)計(jì)的方法。

最后介紹了EMI 的發(fā)射產(chǎn)生的機(jī)理和頻率抖動(dòng)及共模電感的設(shè)計(jì)。

目前，Y 電容廣泛的應(yīng)用在開關(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)充電器會(huì)讓使用者有觸電的危險(xiǎn)，因此一些手機(jī)**商目前開始采用無(wú)Y 電容的充電器。

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)

在開關(guān)電源中，功率器件高頻開通關(guān)斷的操作導(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：

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:

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 減小電壓率du/dt和電流變化率di/dt

減小電壓率du/dt和電流變化率di/dt可以通過以下的方法來(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通時(shí)功率器件的電壓變化率。

圖3中，基本的RCD箝位電路用于抑止由于變壓器的初級(jí)漏感在開關(guān)管關(guān)斷過程中產(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。

R1C1，R2C2，R3C3，R4C4 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)日和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。

1.2 減小寄生的電感和電容值

開關(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，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)行優(yōu)化。

寄生電容包括漏源極電容和柵漏極的Miller電容。

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的干擾噪聲，測(cè)試的方法見圖4所示。

待測(cè)試的設(shè)備EUT通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)LISN（或人工電源網(wǎng)絡(luò)）連接到干凈的交流電源上。

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LISN內(nèi)部的高通濾波器和50 Ω電阻，在50 Ω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：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，這兩種類型的噪聲干擾見圖5所示。

Y電容直接和傳導(dǎo)干擾相關(guān)。

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。

2.2 變壓器模型

變壓器所包含的寄生電容的模型見圖6中所示。

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。

⑥Cs: 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。

2.3 差模電流

差模電流噪聲主要由功率開關(guān)器件的高頻開關(guān)電流產(chǎn)生。

① 功率器件開通

在功率器件開通瞬間存在電流的尖峰，圖7所示。

開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，這樣就產(chǎn)生的差模電流在電源的兩根輸入線間流動(dòng)。

注意：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。

功率器件開通瞬間形成的差模電流為IDM 為：

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。

對(duì)于常規(guī)的四層初級(jí)繞組結(jié)構(gòu)，在開關(guān)管

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