開關電源充電器EMI無Y電容的設計

　　在開關電源不斷應用到各個行業，對應而來的各個行業的特別要求也就不約而來，其中就有對于一些電話機、手機充電器、醫療設備及各類敏感設備……在這類設備應用中的開關電源，各大廠商都會不約而同的要求，要采用極小的Y電容設計、更或者無Y設計，這樣對于在做EMC相關認證時，提出了更高的挑戰。

　　在開關電源中，由于功率器件高頻導通/關斷的操作導致的電流和電壓的快速變化而產生較高的電壓及電流尖峰是產生EMI的主要原因。那么我們添加緩沖吸收電路有利于降低EMI，但是卻又會產生過多的功耗，增加元件數量、PCB尺寸及系統成本。

　　所以，我們在通常情況下，系統前端要加濾除器和Y電容，Y電容的存在會使輸入和輸出線間產生漏電流，具有Y電容的金屬殼電話機、手機充電器、醫療設備等會讓使用者有觸電的危險，因此，一些電話機、手機充電器、醫療設備制造商開始采用無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電容的開關電源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來降低，增大變壓器骨架窗口的寬度可以減少繞組的層數。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，并且要接到初級或次級的靜點，如初級地和次級地。Faraday屏蔽層會使初級和次級的耦合系統降低，從而增加了漏感。

　　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電感ESL和電阻ESR，產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，通過補償的方式可以減小差模電流。注意：初級繞組的熱點應該埋在變壓器的最內層，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產生共模電流；通過Ca和Cme產生共模電流，通過Ct和Coe產生共模電流，通過Cs和Coe產生共模電流，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，產生更強的磁場。如果系統加了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整，圖2（b）中，A、B和Vin為冷點，F、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。

　　如果按圖3（a）結構安排冷點和繞組，在沒有Y電容時，基于電壓改變的方向，可以得到初級與次級繞組及輔助繞組和次級繞組層間電容的電流方向，初級繞組和輔助繞組的電流都流入次級繞組中，調整冷點后如圖3（b）所示，可以看出，初級與次級繞組及輔助繞組和次級繞組層間電容的電流方向相同，可以相互抵消一部分流入次級繞組的共模電流，從而減小總體共模電流的大小，輔助繞組和次級繞組的整流二極管放置在下端，從而改變電壓變化的方向，同時，注意冷點要盡量靠近，因此兩者間沒有電壓的變化，所以不會產生共模電流。如果在內層及初級、次級繞組間放置銅皮，銅皮的寬度小于或等于初級繞組的寬度，銅皮的中點由導線連到冷點，如3（c）所示，由于銅皮為冷點，與其接觸的繞組和銅皮間電壓的擺率降低，從而減小共模電流，同時將共模電流由銅皮旁路引入到冷點，注意銅皮的搭接處不能短路，用絕緣膠帶隔開，內外層銅皮的方向要一致。輔助繞組和次級繞組的共模電流可以由以下方法補償：

　　1）加輔助屏蔽繞組：輔助屏蔽繞組繞制方向與次級繞組保持一致，輔助屏蔽繞組與次級繞組的同名端連接到一起，并連接到冷點，輔助屏蔽繞組的另一端浮空。由于它們的電壓變化的方向相同，所以兩者間沒有電流流動，

　　2）加外層的輔助屏蔽銅皮：輔助屏蔽銅皮的中點連接到輔助繞組的中點。同樣，基于電壓的變化方向分析電流的方向，可以看到，兩者間的電流形成環流，相互補償抵消，從而降低共模電流。

　　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。