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[设计讨论] 深度解析降低EMI的办法
2018-6-11 09:36:41  782 EMI 充电器
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在常用的开关电源设计中,为了抑制电磁干扰的共模噪音,通常会在原副边之间跨接一个Y电容,通常Y电容容值越大对共模抑制越有好处,但安规标准却对Y电容大小有一定要求,容值大,漏电流也会相应增大。

目前针对手机充电器和小功率电源,去除Y电容对使用者的安全和成本的降低都很有意义。但是,去除Y电容也会带来新的挑战,主要是解决电磁干扰的问题。本文章从EMI的耦合传播原理和变压器绕法及结合示波器判断同时结合实际案列为你深度解析降低EMI的办法。

EMI噪声源和耦合路劲的基本概念


图1所示是离线反激变换器的传导电磁干扰测量电路图。测量中使用的是标准的传导测量仪器LISN,由电感,电容以及两个50ohm电阻组成。对于噪音来说,两个电感呈现高阻抗,而两个0.1uF电容呈现低阻抗。通过两个电阻耦合到噪音电压被算作传导电磁干扰。

VX是LINE EMI电压,Vy是neutral side EMI电压。
按照传统理论,EMI噪音分为两种模式:差模噪音DM noise和共模噪音COMMON noise。DM noise由脉动的开关电源耦合到电阻R1和R2。差模干扰耦合路径如图1中蓝色点划线所示。一般而言,差模干扰随负载电流而变化。CM noise由功率管的开通关断(通常而言是dv/dt)通过寄生电容CPS耦合到电阻R1和R2。共模噪音干扰噪音耦合路径如图1中红色虚点所示。差模干扰和共模干扰可以通过EMI噪音分离测量,其中差模干扰电压为两个电压差(Vx-Vy).共模干扰电压为两个电压平均值(VX+VY)/2。

2、针对无Y电容反激电源的传导EMI主要措施


无Y电容反激电源应用的典型电路图如图2所示。图3所示是差模干扰和共模干扰在传导EMI不同频率段中产生影响的主要区域,其中差模干扰主要在2MHZ以内,共模干扰主要住500KHZ以上。




2.1与DM和CM EMI相关的元器件
在常规应用中,以下元件被用来抑制差模干扰:π型滤波器,由电感和电容组成,通常被置于输入整流桥后。X电容,是常用的抑制差模干扰的手段通常在13W以内的反激变换器应用中,基本用的都是L1,C1和C2组成了的π型滤波器就可以应付EMI了,X电容可以省去。

与共模干扰相关的元器件:Y电容,是最常用的抑制共模EMI干扰的方法。共模CHOKE,有时用于输入或输出侧以降低共模EMI。铁氧体磁珠或uH级的电感,加在输入侧的π型滤波器中用以减小高频共模干扰EMI,同时对辐射也有抑制效果RCD钳位吸收电路以及次边RC吸收电路同样对共模干扰有抑制效果变压器绕指结构,恰当的绕组结构和屏蔽可以大幅度降低共模干扰。在此小功率反激变换器应用中,采用了铁氧体磁珠(L2),原边RCD吸收电路(R7,C5,D6和R8),二次侧RC吸收(R14,C6)以及结构优化的变压器以降低共模EMI干扰。

2.2变压器设计中的共模噪声抑制技术


图4显示了变压器内部的电荷分布结构,其中Qps是原边对二次侧绕组的电荷分布。通过电荷分布Qps我们可以得到原边对二次侧的等效电容Cps,这就是我们通常所知的原边对二次侧的共模噪声路径。


首先,通过减小等效电容Cps,增加共模噪音路径阻抗。简单有效的方法就是将原边绕组的动点远离二次侧绕组。如图5中变压器绕组结构中线绕原边绕组,从动点起绕,13W以内的变压器采用初级平均绕法(非三明治结构),这样可以有效减小原边对二次侧的位移电流,从而达到减小等效电容CpS,增加共模噪声路径阻抗,抑制共模噪音的效果。
其次,共模干扰噪声平衡平衡抵消技术-采取合适的屏蔽措施使共模噪音平衡抵消。如图6所示,增加合适的屏蔽后,进一步降低了等效电容Cps,并且还同时增加可二次侧对原边的等效电容CSP,该电容可以把二次侧噪音再传到初级侧来(在这是不是觉得功效和Y电容有点像了?)从理论上讲,只有这两个等效电容上的电荷达到平衡,用数学公式表达则为|Cps*Vp-Csp*Vs|=0,则LISIN上应该检测不到共模噪声,因为共模噪声都以能量的形式在电源内部循环了。几种达到平衡抵消常用的方法在图7中给出。







3、悬浮RC电压波形-一种检测共模噪声的简单方法     

图8所示是一种检测共模噪声的简单有效的方法,即通过跨接在原副边静态点之间的RC悬浮电压波形,其中Rcm=20K连接原边静态点,Ccm=1nF连接二次侧静态点。电阻Rcm上电压波形的极性和幅度体现了共模噪音的抵消效果。当Rcm悬浮电压波形和开关管Q1的开关波形VDS一致时,变压器内屏蔽铜皮越长,则Rcm电压的幅度越小;当屏蔽铜皮继续增加,则会导致Rcm电压波形极性反相。为了使得Cps和Csp之间平衡并获得共模噪声抵消的效果,Rcm电压在0-2V且极性反相最为恰当,如图10所示。图9,10和11对变压器无屏蔽,屏蔽抵消恰当和屏蔽抵消过头做了对比。结果显示,无屏蔽盒屏蔽抵消过头的传导EMI都比较差。





除了铜皮屏蔽,绕组屏蔽也是一样的,而且比较方便调试(增加几圈或者减几圈)

2018-6-11 09:36:41   评论
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