變壓器與EMI 的關系

研發工程師解決棘手的EMI問題時，很多時候都未能認真地研究變壓器的設計。變壓器與EMI之間有如下的關系。

■由于變壓器的線圈帶有高頻電流，因此變壓器實際上已成為接收 H 場的天線。這些 H 場會沖擊附近的走線，并通過這些走線將 H 場傳導或輻射到密封的范圍以外。

■由于部分線圈有擺動電壓，因此實際上它們也成為接收電磁場的天線。

■初級及次級線圈之間的寄生電容可以將噪聲傳送到絕緣層之外。由于次級線圈的接地通常都與底板連在一起，因此這些噪聲又會通過這個接地面傳送回來，成為共模噪聲。因此為了減少泄漏電感，最好將初級及次級線圈緊靠在一起，但這樣也會增加線圈的互感，從而增加共模噪聲。

下面介紹一些有助于防止上述干擾情況出現的技術。

■符合安全規格的變壓器都在初級及次級線圈之間貼上三層符合安全規格的聚酯 (Mylar) 膠帶。除了這三層聚酯膠帶之外，可能還會另外加插一片法拉第屏蔽銅片，以便將匯集在絕緣邊界的噪聲電流收集在一起，并將這些噪聲電流分流到別的地方 (通常會傳送到初級線圈的接地)。值得留意的一點是，應該采用極薄的銅片作為屏蔽，以免因出現渦流而產生損耗，并確保可減少泄漏電感。這片銅片一般厚2~4 密耳(mil)，只環繞中央盤一周。另外還有一條導線焊接在銅片中心的附近，而另一端則連接初級線圈的接地端。這里要注意，銅片屏蔽的兩端不應該有電導性能上的連接，因為對于變壓器來說，這樣會令這一繞圈短路。也可以在次級線圈上 (即加了三層絕緣之后) 再加設一個法拉第屏蔽，而這個屏蔽則與次級線圈接地連在一起。

■通常變壓器的外圍會有一層銅片屏蔽(即“磁通帶”)包圍著。這個屏蔽主要用以遮擋輻射。低成本的設計通常會任由這個屏蔽浮動，但如有需要，這個屏蔽也可與次級線圈接地連在一起。如果按照這個方式連在一起，便需要考慮一些安全方面的問題，例如加強初級及次級線圈之間絕緣效果的規定問題，以及如何規定初級至次級線圈之間的“蠕動”(沿著絕緣面的一段距離)及“間隙”(空間的最短距離)問題。如果變壓器的外盤設有空氣隙，源自空氣隙的周邊磁通會在磁通帶產生嚴重的渦流損耗。因此這個磁通帶的厚度通常也只有 2~4 密耳。需要注意，這個磁通帶的兩端可以而且應該焊接在一起，因為這是外層屏蔽，無論怎樣也不會讓變壓器的繞線出現短路情況。但像拉法第屏蔽一樣，如果采用良好的繞線技術，這個外層屏蔽也可以不用。

■從電磁干擾的觀點來看，回掃變壓器最好采用中央設有間隙的設計，即變壓器的外盤并無間隙。無屏蔽的空氣隙會在周邊產生電磁場，換言之，會產生大量EMI信號。這些干擾除了會導致磁通帶產生大量渦流損耗之外，也會成為強力的輻射源。

■初級線圈通常會設有一個輔助線圈，為控制器及相關電路提供低干線電壓。輔助線圈的其中一端與初級線圈接地連在一起。只在輔助線圈的線軸上繞一層線，而且利用一個 22pF~100pF 的小型陶瓷電容器，再利用交流電將輔助線圈的另一端 (即二極管的一端) 與初級線圈接地耦合在一起，以確保輔助線圈可以收集及轉移更多噪聲(正如圖 1 所示)，如果依照以上所說進行，輔助線圈便可提供多一個屏蔽 (雖然這是一個粗糙的法拉第屏蔽)。但實際上并不需要這個法拉弟線圈提供任何電流。因此這個電路根本無需采用這個線圈。可以采用細線以較疏的間距繞線圈，線的一端連接初級線圈接地，而另一端的22 pF 小型電容器則直接接地。

■由于場效應晶體管的漏極產生擺動電壓，因此最好將初級線圈的這一端盡量埋藏在最底的一層，即應該屬于底層繞線的第一層。外層繞線便可將來自這層的電磁場屏蔽。這個線圈的漏極端絕對不應放在靠近“安全屏障”(三層膠帶) 的位置。闖進來的噪聲電流與寄生電容器兩塊銅片之間的凈 dV/dt 成正比。若大幅降低電容，便會對泄漏電阻造成不利的影響，因此應該盡量減低這個電容器的凈 dV/dt 值。

■通過比較圖 1左邊的結構框圖與右邊的電路圖，便可發現任何線圈的首尾兩端都有特別的標示。尤其是右邊的電路圖，開始的一端全部用黑點標示出來。以典型的生產流程來說，繞線機每一次繞線都采用同樣的旋轉方向，所以所有開始端(以黑點標出的一端) 都有同樣的磁性性能(因此如果某一黑點處于高位，其它黑點也同時處于高位，這與另一端的表現不同)。若細心留意其中的真實距離，便會發現某一線圈的每一黑點端都很靠近下一線圈的無黑點端。

■換言之，以圖 1 的回掃變壓器來說，次級線圈的二極管端一定靠近安全屏障。因此雖然次級線圈會產生一部分 dV/dt ，但初級線圈只有極小的 dV/dt，令屏障兩邊只產生極小的凈 dV/dt。這個 dV/dt 值會比初級線圈漏極靠近安全屏障的數值小得多。若變壓器線圈的繞線方式有錯，即圖 1 所示的首尾兩端以反方向繞線，便會出現初級線圈漏極靠近安全屏障的情況。若采用這種設計，便會有大量的共模噪聲直接闖入底板/接地。

■圖 1 的變壓器有它的優點，那就是次級線圈的無噪聲端 (接地) 屬于最外層。這一層形成一個很好的屏蔽，因此可以無需采用銅片屏蔽環繞該線圈。

■可以利用同樣的原理解釋正向轉換變壓器的操作，但由于受到前述線圈的擺設次序所限，令初級及次級線圈的無噪聲端自動分隔在安全屏障的兩邊。從傳導電磁干擾的角度來看，這個安排較好，因為極少噪聲會通過寄生電容闖入線圈。但最外層已不再屬于無噪聲區，而且可能會有輻射問題出現。在這樣的情況下，必須采用屏蔽將線圈包藏起來。

■正向轉換器外層輻射問題有一個解決的辦法。即要求制造商將次級線圈 (只限于次級線圈) 的繞線方向反過來。例如，繞線機一直按照順時針方向進行繞線，但到次級線圈時，可以按反時針方向繞線。若按照這個方式繞線，以上所說有關回掃變壓器的運作原理也適用于正向轉換變壓器，令轉換器的外層在沒有屏蔽時也不會受輻射干擾。

■正向轉換變壓器并無空氣隙，即使有，這個空間也很窄小，因此它是低噪聲變壓器。此外，也可按照鄰近效應的分析，將線圈交錯排列，以便大幅減少能產生泄漏磁通及EMI 的磁力。

■將晶體管安裝在底板之上時，可以嘗試將散熱片的電容感生電流消除。辦法是采用另一線圈，其匝數與主線圈相同，但相位相反，而線圈的繞線可以更為細小。

■棒式電感器經常用于輸出端的濾波后 LC 級。由于這些電感器采用開放式結構，因此一直稱為“電磁干擾大炮”。由于這類棒式電感器成本較低，而且占用較少電路板空間，因此至今仍然有人使用。但它們應垂直放置，若兩條棒式電感器同樣用于某一輸出，則應該采用相同的繞線方式將繞線繞在兩條棒上，然后將印刷電路板的設計稍加修改配合，使兩條棒的電流以截然相反的方向流動。這樣有助于將某一電感器的磁通直接耦合到另一電感器，確保不會有太多磁通溢出。

布局設計

■應小心審視每一布局，以確定印刷電路板哪一部分走線最具關鍵作用。啟動或關閉時，電流若突然間開始或停止流動，往往會令走線產生電感尖峰。每一次過渡時，這一部分走線會產生極高的 dI/dt 尖峰電流。根據以往的經驗，即每一英寸走線有 20nH電感，電壓尖峰可以利用方程式 V=L(dI/dt) 計算出來。這些高頻電流環路的面積必須盡量縮小，因為這些電流不但會產生EMI，而且還會闖入內置式開關穩壓器的控制電路，令操作出現錯誤。

■構思設計時必須小心，以防無意中令走線產生擺幅過高的電壓，因為高擺幅電壓的走線會成為極易接收電場信號的天線。無論采用什么布局，連接開關節點的走線很容易產生這種天線效應。因此需要加大其銅線面積，以降低電感。

■接地也是降低EMI整體水平的好辦法，而且是非常有效的方法。以多層式電路板為例，電路板的外層都設有電源器件及相關的走線，如果連接的下一層是接地，EMI會下降 10~20 dB。若與采用成本較低的單/雙面電路板相比，這個方法更具成本效益，而且無需采用笨重的濾波器。但這樣的接地面必須確保傳送的信號完整無損，因為在低頻環境下，回流電流有這樣的傾向，就是喜歡選擇最短的直線路徑，但較高頻的諧波大多數會直接在另一面的正向走線下按照自己的影像復制。只要有機會，電流就會自動縮小其包圍面積，因為這樣可降低走線的電感，以及為電流指示一條最低阻抗的路徑。若因考慮不周而在不適合走線的地方將其它走線貫穿接至地面，會導致真正需要該部分接地面的功率轉換器級受其影響，令其回流電流繞過貫穿的走線，這樣會產生頻槽天線效應。

問題的解決辦法

最好的辦法還是先將共模及差分模式的信號分開，然后分別加以研究，以便調試不理想的頻譜。LISN 的讀數只提供總傳導噪聲中的某一加權部分，因此除非有特別的輔助配件 (包括經修改的 LISN)，只能通過猜測來確定哪一部分EMI屬于差分模式，哪一部分屬于共模。若只靠 LISN 讀數，未必知道干擾的真正原因。圖2 顯示兩條電流探測路線，它們互相纏繞在一起，其效果好像利用“聯立方程式”將共模與差分模式的部分分開計算。實際設計當中，同時進行這兩項測量比分開進行好，因為這樣可以知道共模信號與差分信號之間的相對相位關系。這是非常寶貴的信息。

編輯：黃飛

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