EMI及無Y電容手機充電器的設計

　　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電容的金屬殼手機充電器會讓使用者有觸電的危險，因此，一些手機制造商開始采用無Y電容的充電器，然而，去除Y電容會給EMI的設計帶來困難，本文將介紹無Y電容的充電器變壓器補償設計方法。

　　變壓器補償設計

　　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，變壓器是另外一個噪聲源，而初級/次級的漏感及層間電容、初級和次級間的耦合電容則是噪聲的通道，初級或次級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，如初級采用三明治繞法，可以減小初級的漏感，但由于增大了初級和次級的接觸面積，因而增大了初級和次級的耦合電容，采用銅皮的Faraday屏蔽可以減小初級與次級間的耦合電容。Faraday屏蔽層繞在初級與次級之間，并且要接到

　　開關管的導通電流尖峰由三部分組成：（1）變壓器初級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電流。導通電流尖峰不能通過輸入濾波的直流電解電容旁路，因為輸入濾波的直流電解電容有等效的串聯(lián)電感ESL和電阻ESR，產(chǎn)生的差模電流會在電源的兩根輸入線間流動，對于變壓器而言，初級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，初級繞組通常用多層結構，本設計針對4層的初級繞組結構進行討論。

　　對于常規(guī)的4層初級繞組結構，在開關管導通和關斷的過程中，層間的電流向同一個方面流動，在圖1中在開關管導通時，原極接到初級的地，B點電壓為0，A點電壓為Vin，基于電壓的變化方向，初級繞組層間電容中電流流動的方向向下，累積形成的差模電流值大。在功率器件關斷瞬間，MOSFET漏-源極電容充電，變壓器初級繞組的層間電容放電，這兩部分電流也會形成差模電流，同樣，基于電壓的變化方向，初級繞組層間電容中的電流流動方向向上，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。對于PCB設計而言，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用X電容，因此，在交流整流后要加一級LC濾波器。

　　如果對變壓器的結構進行改進，如圖1所示，通過補償?shù)姆绞娇梢詼p小差模電流。注意：初級繞組的熱點應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，從而得到補償。

　　
共模電流在輸入及輸出線與大地間流動，主要有下面幾部分可通過MOSFET源級到大地的電容Cde。如果改進IC的設計，如對于單芯片電源芯片，將MOSFET源極連接到芯片基極用于散熱，而不是用漏極進行散熱，這樣可以減小漏極對大地的寄生電容，PCB布線時減小漏極區(qū)銅皮的面積可減小漏極對大地的寄生電容，但要注意保證芯片的溫度滿足設計的要求；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，但這樣會使MOSFET承受大的電流應力，其溫度將增加，同時加大漏-源極電容，產(chǎn)生更強的磁場。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，返回到初級的地，因為Y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和次級的冷點，如果導通時MOSFET的dV/dt大于關斷時的值，Y電容則連接到初級的地，反之連接到Vin。

電壓沒有變化的點稱為靜點或冷點，電壓變化的點稱為動點或熱點，初級的地和Vin都是冷點，對于輔助繞組和輸出繞組，冷點可以通過二極管的位置進行調(diào)整，圖2（b）中，A、B和Vin為冷點，F(xiàn)、D、B和C為熱點，而圖2（c）中，A、Vcc、Vin和Vo為冷點，D、F和G為熱點。

　　
去除Y電容無法有效地旁路共模電流，導致共模電流噪聲過大，無法通過測試，解決的方法是改進變壓器的結構，一般的屏蔽方法不能使設備在無Y電容的情況下通過EMI的測試，由于MOSFET漏極端的電壓變化幅值大，主要針對這個部位進行設計，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，寄生電容是其流動的通道，前面提到，Cm、Cme、Cme和Ca也會產(chǎn)生共模電流，初級層間電容的電流一部分形成差模電流，有一部分也會形成共模電流，這也表明差模和共模電流可以相互轉換。

　　
測試結果

　　浮空電壓波形

　　測量變壓器初級和次級靜點的電壓波形及變壓器磁芯的電壓波形，可以為EMI的傳導測試提供一些參考（見圖4）。常規(guī)結構變壓器的初級和次級靜點電壓波形的幅值為10V，并且可以明顯地看到基于開關頻率的開關波形，新結構變壓器的初級和次級靜點電壓波形的幅值為5V，基于開關頻率的開關波形不是很明顯，常規(guī)結構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頻率的開關波形，新結構的變壓器的磁芯電壓波形的幅值為5V，基于開關頻率的開關波形不是很明顯。

　　
傳導及輻射測量

　　如圖5所示，從測試結果看，即使出除了Y電容，由于對變壓器的結構進行了優(yōu)化補償，因此可以通過測試的要求。

　　
結語

　　1、在變壓器內(nèi)部使用補償?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)部進行補償?shù)挠行Х椒ā?/P>

　　3、變壓器內(nèi)部補償對高頻輻射的影響不明顯。