普通开关电源充电器EMI无Y电容的设计

        在开关电源不断应用到各个行业，对应而来的各个行业的特别要求也就不约而来，其中就有对于一些电话机、手机充电器、医疗设备及各类敏感设备……在这类设备应用中的开关电源，各大厂商都会不约而同的要求，要采用极小的Y电容设计、更或者无Y设计，这样对于在做EMC相关认证时，提出了更高的挑战。
       在开关电源中，由于功率器件高频导通/关断的操作导致的电流和电压的快速变化而产生较高的电压及电流尖峰是产生EMI的主要原因。那么我们添加缓冲吸收电路有利于降低EMI，但是却又会产生过多的功耗，增加元件数量、PCB尺寸及系统成本。
　　所以，我们在通常情况下，系统前端要加滤除器和Y电容，Y电容的存在会使输入和输出线间产生漏电流，具有Y电容的金属壳电话机、手机充电器、医疗设备等会让使用者有触电的危险，因此，一些电话机、手机充电器、医疗设备制造商开始采用无Y电容的充电器，然而，去除Y电容会给EMI的设计带来困难，本文将介绍无Y电容的开关电源充电器变压器补偿设计方法。
　　变压器补偿设计
　　减小电压和电流变化率及增加耦合通道阻抗是提高EMI性能的常用办法，变压器是另外一个噪声源，而初级/次级的漏感及层间电容、初级和次级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少绕组的层数来降低，增大变压器骨架窗口的宽度可以减少绕组的层数。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屏蔽层会使初级和次级的耦合系统降低，从而增加了漏感。
　　开关管的导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方向恢复电流。导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，产生的差模电流会在电源的两根输入线间流动，对于变压器而言，初级绕组两端所加的电压高，绕组层数少，层间电容少，然而，在很多应用中由于骨架窗口宽度的限制，以及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4层的初级绕组结构进行讨论。
　　对于常规的4层初级绕组结构，在开关管导通和关断的过程中，层间的电流向同一个方面流动，在图1中在开关管导通时，原极接到初级的地，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的方向向下，累积形成的差模电流值大。在功率器件关断瞬间，MOSFET漏-源极电容充电，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，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。
　　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。对于PCB设计而言，尽量减小高的di/dt环路并采用宽的布线有利于减小差模干扰，由于滤波器电感有杂散电容，高频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。
　　如果对变压器的结构进行改进，如图1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，同样，基于电压的变化方向，可以得到初级绕组层间电容的电流方向，由图1所示可以看到，部分层间电流由于方向相反可以相互抵消，从而得到补偿。



       共模电流在输入及输出线与大地间流动，主要有下面几部分可通过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源极连接到芯片基极用于散热，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；通过Cm和Cme产生共模电流；通过Ca和Cme产生共模电流，通过Ct和Coe产生共模电流，通过Cs和Coe产生共模电流，这部分在共模电流中占主导作用，减小漏极电压的变化幅值及变化率可减小共模电流，如降低反射电压，加大漏-源极电容，但这样会使MOSFET承受大的电流应力，其温度将增加，同时加大漏-源极电容，产生更强的磁场。如果系统加了Y电容，如图2所示，通过Cs的大部分共模电流被Y电容旁路，返回到初级的地，因为Y电容的值大于Coe。Y电容必须直接并用尽量短的直线连接到初级和次级的冷点，如果导通时MOSFET的dV/dt大于关断时的值，Y电容则连接到初级的地，反之连接到Vin。

电压没有变化的点称为静点或冷点，电压变化的点称为动点或热点，初级的地和Vin都是冷点，对于辅助绕组和输出绕组，冷点可以通过二极管的位置进行调整，图2（b）中，A、B和Vin为冷点，F、D、B和C为热点，而图2（c）中，A、Vcc、Vin和Vo为冷点，D、F和G为热点。

　
      
       去除Y电容无法有效地旁路共模电流，导致共模电流噪声过大，无法通过测试，解决的方法是改进变压器的结构，一般的屏蔽方法不能使设备在无Y电容的情况下通过EMI的测试，由于MOSFET漏极端的电压变化幅值大，主要针对这个部位进行设计，需要注意：电压的变化是产生差模及共模电流的主要原因，寄生电容是其流动的通道，前面提到，Cm、Cme、Cme和Ca也会产生共模电流，初级层间电容的电流一部分形成差模电流，有一部分也会形成共模电流，这也表明差模和共模电流可以相互转换。
　　如果按图3（a）结构安排冷点和绕组，在没有Y电容时，基于电压改变的方向，可以得到初级与次级绕组及辅助绕组和次级绕组层间电容的电流方向，初级绕组和辅助绕组的电流都流入次级绕组中，调整冷点后如图3（b）所示，可以看出，初级与次级绕组及辅助绕组和次级绕组层间电容的电流方向相同，可以相互抵消一部分流入次级绕组的共模电流，从而减小总体共模电流的大小，辅助绕组和次级绕组的整流二极管放置在下端，从而改变电压变化的方向，同时，注意冷点要尽量靠近，因此两者间没有电压的变化，所以不会产生共模电流。 如果在内层及初级、次级绕组间放置铜皮，铜皮的宽度小于或等于初级绕组的宽度，铜皮的中点由导线连到冷点，如3（c）所示，由于铜皮为冷点，与其接触的绕组和铜皮间电压的摆率降低，从而减小共模电流，同时将共模电流由铜皮旁路引入到冷点，注意铜皮的搭接处不能短路，用绝缘胶带隔开，内外层铜皮的方向要一致。辅助绕组和次级绕组的共模电流可以由以下方法补偿：1）加辅助屏蔽绕组：辅助屏蔽绕组绕制方向与次级绕组保持一致，辅助屏蔽绕组与次级绕组的同名端连接到一起，并连接到冷点，辅助屏蔽绕组的另一端浮空。由于它们的电压变化的方向相同，所以两者间没有电流流动，2）加外层的辅助屏蔽铜皮：辅助屏蔽铜皮的中点连接到辅助绕组的中点。同样，基于电压的变化方向分析电流的方向，可以看到，两者间的电流形成环流，相互补偿抵消，从而降低共模电流。



        测试结果

　　浮空电压波形
　　测量变压器初级和次级静点的电压波形及变压器磁芯的电压波形，可以为EMI的传导测试提供一些参考（见图4）。常规结构变压器的初级和次级静点电压波形的幅值为10V，并且可以明显地看到基于开关频率的开关波形，新结构变压器的初级和次级静点电压波形的幅值为5V，基于开关频率的开关波形不是很明显，常规结构的变压器的磁芯电压波形的幅值为18V，可以明显地看出基于开关频率的开关波形，新结构的变压器的磁芯电压波形的幅值为5V，基于开关频率的开关波形不是很明显。

　

       传导及辐射测量如图5所示，从测试结果看，即使出除了Y电容，由于对变压器的结构进行了优化补偿，因此可以通过测试的要求。


     结语
　　1、在变压器内部使用补偿的方法可以减小共模干扰电流，从而提高系统的EMI传导性能，并可以去除Y电容。
　　2、使用屏蔽绕组和铜皮是在变压器内部进行补偿的有效方法。
　　3、变压器内部补偿对高频辐射的影响不明显。