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轻松掌握EMI：EMI基础及无Y电容手机充电器设计资料下载
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2021-04-10
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目前Y电容广泛的应用在开关电源中，但Y电容的存在使输入和输出线间产生漏电流，具有Y电容的金属壳手机充电器和一些特殊电器会让使用者有触电的危险，因此这些设备的制造商目前开始采用无Y电容的设计，然而摘除Y电容对EMI的设计带来了困难。具有频抖和频率调制的脉宽调制器可以改善EMI的性能，但不能绝对的保证充电器通过EMI的测试，必须在电路和变压器结构上进行改进才能使充电器满足EMI的标准。
1、EMI 常识
在开关电源中，功率器件高频开通、关断操作导致电流和电压的快速的变化是产生EMI的主要原因。
在电路中的电感及寄生电感中快速的电流变化产生磁场从而产生较高的电压尖峰：
VL = LS · diL /dt
在电路中的电容及寄生电容中快速的电压变化产生电场从而产生较高的电流尖峰：
iC = C · duc /dt
图1：MOSFET电压和电流波形
磁场和电场的噪声与变化的电压和电流及耦合通道如寄生的电感和电容直接相关。直观的理解，减小电压变化率du/dt和电流变化率di/dt及减小相应的杂散电感和电容值可以减小由于上述磁场和电场产生的噪声，从而减小EMI干扰。
1.1 减小电压变化率du/dt和电流变化率di/dt
减小电压变化率du/dt和电流变化率di/dt可以通过以下的方法来实现：改变栅极的电阻值和增加缓冲吸引电路，如图2和图3所示。增加栅极的电阻值可以降低开通时功率器件的电压变化率。
图2：栅极驱动电路
图3中，基本的RCD箝位电路用于抑止由于变压器的初级漏感在开关管关断过程中产生的电压尖峰。L1、L2和L3可以降低高频的电流的变化率。L1和L2只对特定的频带起作用。L3对于工作于CCM模式才有效。
R1/C1，R2/C2，R3/C3，R4/C4和C5可以降低相应的功率器件两端的高频电压的变化率。
所有的这些缓冲吸引电路都需要消耗一定功率，产生附加的功率损耗，降低系统的效率；同时也增加元件的数目和PCB的尺寸及系统的成本，因此要根据实际的需要选择使用。
图3：缓冲吸引电路
1.2 减小寄生的电感和电容值
开关器件是噪声源之一，其内部引线的杂散电感及寄生电容也是噪声耦合的通道，寄生电容包括漏源极电容和栅漏极的Miller电容，但是由于这些参数是器件固有的特性，电子设计和应用工程师无法对它们进行完全的抑制。减小开关管所在回路的尺寸并用宽的PCB 铜箔，可以最大限度地减小寄生电感。
变压器是另外一个噪声源，而初级次级的漏感及初级的层间电容、次级的层间电容、初级和次级之间的耦合电容则是噪声的通道。初级或次级的层间电容可以通过减小绕组的层数来降低，增大变压器骨架窗口的宽度可在减小绕组的层数。分离的绕组如初级采用三明治绕法可以减小初级的漏感，但由于增大了初级和次级的接触面积，因而增大了初级和次级的耦合电容。采用铜皮的Faraday屏蔽可以减小初级与次级间的耦合电容。Faraday屏蔽层绕在初级与次级之间，并且要接到初级或次级的静点如初级地和次级地。Faraday屏蔽层使初级和次级的耦合系数降低，从而增加了漏感。
2、传导干扰
2.1 LISN
EMI测试由传导干扰CE和辐射干扰RE组成，这两种噪声分开的检测和评价。对于不同的应用，不同的地区和国家都有相应的标准，这些标准对于频段的宽度和限制值都作了十分明确的定义。例如对于手机充电器属于FCC15/EN55022
CLASS B，传导干扰测量的频率范围为0.15MHz到30MHz，辐射干扰测量的频率范围为30MHz到1GHz，具体的内容可以参考相关的标准FCC，CIRPR和EN等。
传导干扰指在输入和输出线上流过的干扰噪声，测试的方法见图4所示。待测试的设备EUT通过阻抗匹配网络LISN（或人工电源网络）连接到干净的交流电源上。
图4：LISN及EUT测试
LISN的作用如下：
① 隔离待测试的设备EUT和交流输入电源，滤除由输入电源线引入的噪声及干扰。
② EUT产生的干扰噪声依次通过LISN内部的高通滤波器和50Ω电阻，在50 Ω电阻上得到相应的信号值送到接收机进行分析。
由图4可见：EUT放置在绝缘的测试台上，测试台下部装有接地良好的铁板，测试台及铁板的尺寸和安装都在特定的规定。
传导干扰来源于差模电流噪声和共模电流噪声，这两种类型的噪声干扰见图5所示，Y电容直接和传导干扰相关。
图5：差模电流和共模电流
差模电流在两根输入电源线间反方向流动，两者相互构成电流回路，即一根作为差模电流的源线，一根作为差模电流的回线。共模电流在两根输入电源线上同方向流动，它们分别与大地构成电流回路，即同时作为共模电流的源线或回线。
理论上1MHz以内主要是差模干扰，增大 X 电容就可以滤除差模干扰。5MHz以上主要是共摸干扰，可以通过以下方式滤除共摸干扰：
① 输入或输出加共模电感。
② 加大对地Y电容，改变Y电容的连接方式。
③ 调整输出的动点和静点位置。
④ 变压器外面包铜皮，内部加铜皮屏蔽层。
⑤ 变压器输出端和它连接的二极管或次极同步整流管之间串联小磁珠。
⑥ 输出整流二极管或次极同步整流管加吸收电路。
1MHz-5MHz同时存在着差模、共模干扰，而且后面还会分析，差模和共摸干扰可以相互转化，因此在很多的系统中，非常难严格的区分差模、共模干扰，采用输入端并接更多电容并不能有效的完全滤除差摸干扰去分析干扰超标的差模和共模类型。
2.2 变压器模型
变压器包含寄生电容的模型见图6所示。
① Cp： 初级绕组的层间电容。
② Coe：输出线到大地的电容。
③ Cme：磁芯到大地的电容。
④ Ca：最外层绕组到磁芯的电容。
⑤ Ct：辅助绕组到次级绕组的电容。
⑥ Cs：初级绕组到次级绕组的电容.
⑦ Cm：最内层初级绕组到磁芯的电容。
图6：变压器寄生电容
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