中心論題：

• 介紹與EMI傳導相關的共模及差模電流產生的原理以及靜點和動點的概念
• 說明使用補償設計,靜點和動點的調整方法，提高EMI的傳導性能
• 給出相應的實驗波形和測試結果

解決方案：

• 變壓器內部使用補償的方法，提高係統的EMI傳導性能
• 使用屏蔽繞組和銅皮進行變壓器內部補償
• 變壓器內部補償對高頻輻射的影響不明顯

在開關電源中，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。加緩衝吸引電路有利於降低EMI



，但會產生過多的功耗，增加元件數量
、PCB尺寸及係統成本。

通常情況下
，係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電容的金屬殼手機充電器會讓使用者有觸電的危險

，因此，一些手機製造商開始采用無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(chu)級(ji)和(he)次(ci)級(ji)之(zhi)間(jian)的(de)耦(ou)合(he)電(dian)容(rong)則(ze)是(shi)噪(zao)聲(sheng)的(de)通(tong)道(dao)。初(chu)級(ji)或(huo)次(ci)級(ji)的(de)層(ceng)間(jian)電(dian)容(rong)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)減(jian)少(shao)繞(rao)組(zu)的(de)層(ceng)數(shu)來(lai)降(jiang)低(di)，增(zeng)大(da)變(bian)壓(ya)器(qi)骨(gu)架(jia)窗(chuang)口(kou)的(de)寬(kuan)度(du)可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)繞(rao)組(zu)的(de)層(ceng)數(shu)。分(fen)離(li)的(de)繞(rao)組(zu)，如(ru)初(chu)級(ji)采(cai)用(yong)三(san)明(ming)治(zhi)繞(rao)法(fa)
，可(ke)以(yi)減(jian)小(xiao)初(chu)級(ji)的(de)漏(lou)感(gan)，但(dan)由(you)於(yu)增(zeng)大(da)了(le)初(chu)級(ji)和(he)次(ci)級(ji)的(de)接(jie)觸(chu)麵(mian)積(ji)
，因(yin)而(er)增(zeng)大(da)了(le)初(chu)級(ji)和(he)次(ci)級(ji)的(de)耦(ou)合(he)電(dian)容(rong)。采(cai)用(yong)銅(tong)皮(pi)的(de)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，並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係數降低
，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(mo)式(shi)的(de)輸(shu)出(chu)二(er)極(ji)管(guan)的(de)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)電(dian)流(liu)。導(dao)通(tong)電(dian)流(liu)尖(jian)峰(feng)不(bu)能(neng)通(tong)過(guo)輸(shu)入(ru)濾(lv)波(bo)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)旁(pang)路(lu)，因(yin)為(wei)輸(shu)入(ru)濾(lv)波(bo)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)有(you)等(deng)效(xiao)的(de)串(chuan)聯(lian)電(dian)感(gan)ESL和電阻ESR，產chan生sheng的de差cha模mo電dian流liu會hui在zai電dian源yuan的de兩liang根gen輸shu入ru線xian間jian流liu動dong。對dui於yu變bian壓ya器qi而er言yan

，初chu級ji繞rao組zu兩liang端duan所suo加jia的de電dian壓ya高gao，繞rao組zu層ceng數shu少shao，層ceng間jian電dian容rong少shao，然ran而er，在zai很hen多duo應ying用yong中zhong由you於yu骨gu架jia窗chuang口kou寬kuan度du的de限xian製zhi，以yi及ji為wei了le保bao證zheng合he適shi的de飽bao和he電dian流liu，初chu級ji繞rao組zu通tong常chang用yong多duo層ceng結jie構gou。本ben設she計ji針zhen對dui4層的初級繞組結構進行討論。

對於常規的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向流動。在圖1中
，在開關管導通時，源極接到初級的地，B點電壓為0
，A點電壓為Vin，基於電壓的變化方向
，初級繞組層間電容中電流流動方向向下，累積形成的差模電流值大。在功率器件關斷瞬間
，MOSFET漏-yuanjidianrongchongdian

，bianyaqichujiraozudecengjiandianrongfangdian
，zheliangbufendianliuyehuixingchengchamodianliu。tongyang

，jiyudianyadebianhuafangxiang，chujiraozucengjiandianrongzhongdedianliuliudongfangxiangxiangshang，leijixingchengdechamodianliuzhida。

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。對於PCB設計而言
，盡量減小高的di/dthuanlubingcaiyongkuandebuxianyouliyujianxiaochamoganrao。youyulvboqidedianganyouzasandianrong
，gaopinganraozaoshengkeyiyouzasandianrongpanglu，shilvboqibunengqidaoyouxiaodezuoyong。yongjigedianjiedianrongbingliankeyijianxiaoESL和 ESR
，在小功率充電器中，由於成本的壓力不會用X電容，因此，在交流整流後要加一級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：chujiraozuderedianyinggaimaizaibianyaqidezuineiceng，waicengderaozuqidaopingbidezuoyong。tongyang，jiyudianyadebianhuafangxiang
，keyidedaochujiraozucengjiandianrongdedianliufangxiang，youtu1所示可以看到，部分層間電流由於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
，主要有下麵幾部分：通過MOSFET源級到大地的電容Cde。如果改進IC的設計，如對於單芯片電源芯片，將MOSFET源極連接到芯片基極
，用於散熱
，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麵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。如果係統加了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電容的值大於Coe。Y電容必須直接並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大於關斷時的值，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，對於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dian容rong無wu法fa有you效xiao地di旁pang路lu共gong模mo電dian流liu，導dao致zhi共gong模mo電dian流liu噪zao聲sheng過guo大da
，無wu法fa通tong過guo測ce試shi，解jie決jue的de方fang法fa是shi改gai進jin變bian壓ya器qi的de結jie構gou。一yi般ban的de屏ping蔽bi方fang法fa不bu能neng使shi設she備bei在zai無wuY電容的情況下通過EMI的測試。由於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。前麵提到，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dian容rong時shi，基ji於yu電dian壓ya改gai變bian的de方fang向xiang，可ke以yi得de到dao初chu級ji與yu次ci級ji繞rao組zu及ji輔fu助zhu繞rao組zu和he次ci級ji繞rao組zu層ceng間jian電dian容rong的de電dian流liu方fang向xiang，初chu級ji繞rao組zu和he輔fu助zhu繞rao組zu的de電dian流liu都dou流liu入ru次ci級ji繞rao組zu中zhong。調tiao整zheng冷leng點dian後hou如ru圖tu3(b)所(suo)示(shi)，可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)，初(chu)級(ji)與(yu)次(ci)級(ji)繞(rao)組(zu)及(ji)輔(fu)助(zhu)繞(rao)組(zu)和(he)次(ci)級(ji)繞(rao)組(zu)層(ceng)間(jian)電(dian)容(rong)的(de)電(dian)流(liu)方(fang)向(xiang)相(xiang)同(tong)，可(ke)以(yi)相(xiang)互(hu)抵(di)消(xiao)一(yi)部(bu)分(fen)流(liu)入(ru)次(ci)級(ji)繞(rao)組(zu)的(de)共(gong)模(mo)電(dian)流(liu)，從(cong)而(er)減(jian)小(xiao)總(zong)體(ti)共(gong)模(mo)電(dian)流(liu)的(de)大(da)小(xiao)。輔(fu)助(zhu)繞(rao)組(zu)和(he)次(ci)級(ji)繞(rao)組(zu)的(de)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)放(fang)置(zhi)在(zai)下(xia)端(duan)，從(cong)而(er)改(gai)變(bian)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)的(de)方(fang)向(xiang)，同(tong)時(shi)
，注(zhu)意(yi)冷(leng)點(dian)要(yao)盡(jin)量(liang)靠(kao)近(jin)

，因(yin)為(wei)兩(liang)者(zhe)間(jian)沒(mei)有(you)電(dian)壓(ya)的(de)變(bian)化(hua)
，所(suo)以(yi)不(bu)會(hui)產(chan)生(sheng)共(gong)模(mo)電(dian)流(liu)。

　
如果在內層及初級、次級繞組間放置銅皮
，銅皮的寬度小於或等於初級繞組的寬度，銅皮的中點由導線連到冷點，如圖3(c)所(suo)示(shi)，由(you)於(yu)銅(tong)皮(pi)為(wei)冷(leng)點(dian)
，與(yu)其(qi)接(jie)觸(chu)的(de)繞(rao)組(zu)和(he)銅(tong)皮(pi)間(jian)電(dian)壓(ya)的(de)擺(bai)率(lv)降(jiang)低(di)
，從(cong)而(er)減(jian)小(xiao)共(gong)模(mo)電(dian)流(liu)，同(tong)時(shi)將(jiang)共(gong)模(mo)電(dian)流(liu)由(you)銅(tong)皮(pi)旁(pang)路(lu)引(yin)入(ru)到(dao)冷(leng)點(dian)。注(zhu)意(yi)銅(tong)皮(pi)的(de)搭(da)接(jie)處(chu)不(bu)能(neng)短(duan)路(lu)，用(yong)絕(jue)緣(yuan)膠(jiao)帶(dai)隔(ge)開(kai)
，內(nei)外(wai)層(ceng)銅(tong)皮(pi)的(de)方(fang)向(xiang)要(yao)一(yi)致(zhi)。輔(fu)助(zhu)繞(rao)組(zu)和(he)次(ci)級(ji)繞(rao)組(zu)的(de)共(gong)模(mo)電(dian)流(liu)可(ke)以(yi)由(you)以(yi)下(xia)方(fang)法(fa)補(bu)償(chang)：① 加輔助屏蔽繞組:fuzhupingbiraozuraozhifangxiangyucijiraozubaochiyizhi
，fuzhupingbiraozuyucijiraozudetongmingduanlianjiedaoyiqi，binglianjiedaolengdian，fuzhupingbiraozudelingyiduanfukong。youyutamendedianyabianhuadefangxiangxiangtong
，suoyiliangzhejianmeiyoudianliuliudong。②加外層的輔助屏蔽銅皮:輔fu助zhu屏ping蔽bi銅tong皮pi的de中zhong點dian連lian接jie到dao輔fu助zhu繞rao組zu的de中zhong點dian。同tong樣yang，基ji於yu電dian壓ya的de變bian化hua方fang向xiang分fen析xi電dian流liu的de方fang向xiang，可ke以yi看kan到dao，兩liang者zhe之zhi間jian的de電dian流liu形xing成cheng環huan流liu，相xiang互hu補bu償chang抵di消xiao
，從cong而er降jiang低di共gong模mo電dian流liu。
　　
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，並且可以明顯地看到基於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
，基於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
，可以明顯地看到基於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
，基於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
，即使去除了Y電容
，由於對變壓器的結構進行了優化補償，因此可以通過測試的要求。

結語
1. 在變壓器內部使用補償的方法可以減小共模幹擾電流
，從而提高係統的EMI傳導性能,並可以去除Y電容。

2. 使用屏蔽繞組和銅皮是在變壓器內部進行補償的有效方法。

3. 變壓器內部補償對高頻輻射的影響不明顯。