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高頻變壓器中共模傳導(dǎo)EMI代表的是什么

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高頻變壓器中共模傳導(dǎo)EMI代表的是什么

一、高頻變壓器與EMI


高頻變壓器中傳導(dǎo)EMI產(chǎn)生機(jī)理以反激式變換器為例，其主電路如圖1所示。

開關(guān)管開通后，變壓器一次側(cè)電流逐漸增加，磁芯儲能也隨之增加。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷后，二次側(cè)整流二極管導(dǎo)通，變壓器儲能被耦合到二次側(cè)，給負(fù)載供電。




 

圖1反激變換器

在開關(guān)電源中，輸入整流后的電流為尖脈沖電流，開關(guān)開通和關(guān)斷時變換器中電壓、電流變化率很高，這些波形中含有豐富的高頻諧波。另外，在主開關(guān)管開關(guān)過程和整流二極管反向恢復(fù)過程中，電路的寄生電感、電容會發(fā)生高頻振蕩，以上這些都是電磁干擾的來源。開關(guān)電源中存在大量的分布電容，這些分布電容給電磁干擾的傳遞提供了通路，如圖2所示。圖2中，LISN為線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，用于線路傳導(dǎo)干擾的測量。干擾信號通過導(dǎo)線、寄生電容等傳遞到變換器的輸入、輸出端，形成了傳導(dǎo)干擾。變壓器的各繞組之間也存在著大量的寄生電容，如圖3所示。圖3中，A、B、C、D4點(diǎn)與圖1中標(biāo)識的4點(diǎn)相對應(yīng)。




 

圖2反激式開關(guān)電源寄生電容典型的分布




 

圖3變壓器中寄生電容的分布

在圖1所示的反激式開關(guān)電源中，變換器工作于連續(xù)模式時，開關(guān)管VT導(dǎo)通后，B點(diǎn)電位低于A點(diǎn)，一次繞組匝間電容便會充電，充電電流由A流向B;VT關(guān)斷后，寄生電容反向充電，充電電流由B流向A。這樣，變壓器中便產(chǎn)生了差模傳導(dǎo)EMI。同時，電源元器件與大地之間的電位差也會產(chǎn)生高頻變化。由于元器件與大地、機(jī)殼之間存在著分布電容，便產(chǎn)生了在輸入端與大地、機(jī)殼所構(gòu)成回路之間流動的共模傳導(dǎo)EMI電流。

具體到變壓器中，一次繞組與二次繞組之間的電位差也會產(chǎn)生高頻變化，通過寄生電容的耦合，從而產(chǎn)生了在一次側(cè)與二次側(cè)之間流動的共模傳導(dǎo)EMI電流。交流等效回路及簡化等效回路如圖4所示。圖4中：ZLISN為線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗;CP為變壓器一次繞組與二次繞組間的寄生電容;ZG為大地不同點(diǎn)間的等效阻抗;CSG為輸出回路與地間的等效電容;Z為變壓器以外回路的等效阻抗。




 

圖4變壓器中共模傳導(dǎo)EMI的流通回路


二、變壓器中EMI代表的是什么
變壓器中EMI代表的是電磁干擾。
變壓器與EMI之間有如下的關(guān)系： 
1.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磁場的天線。這些 磁場會沖擊附近的走線，并通過這些走線將磁場傳導(dǎo)或輻射到密封的范圍以外；
2.由于部分線圈有交流電壓，因此實際上它們也成為接收電磁場的天線；
3.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?zhèn)魉突貋恚蔀楣材Ｔ肼?。為了減少泄漏電感，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
知識點(diǎn)延伸：
電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）是干擾電纜信號并降低信號完好性的電子噪音，EMI通常由電磁輻射發(fā)生源如馬達(dá)和機(jī)器產(chǎn)生。電磁干擾是人們早就發(fā)現(xiàn)的電磁現(xiàn)象，它幾乎和電磁效應(yīng)的現(xiàn)象同時被發(fā)現(xiàn)。


三、開關(guān)電源EMI設(shè)計
1.開關(guān)電源的EMI源
開關(guān)電源的EMI干擾源集中體現(xiàn)在功率開關(guān)管、整流二極管、高頻變壓器等，外部環(huán)境對開關(guān)電源的干擾主要來自電網(wǎng)的抖動、雷擊、外界輻射等。
（1）功率開關(guān)管
功率開關(guān)管工作在On-Off快速循環(huán)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，DV/DT和DI/DT都在急劇變換，因此，功率開關(guān)管既是電場耦合的主要干擾源，也是磁場耦合的主要干擾源。
（2）高頻變壓器
高頻變壓器的EMI來源集中體現(xiàn)在漏感對應(yīng)的di/dt快速循環(huán)變換，因此高頻變壓器是磁場耦合的重要干擾源。
（3）整流二極管
整流二極管的EMI來源集中體現(xiàn)在反向恢復(fù)特性上，反向恢復(fù)電流的斷續(xù)點(diǎn)會在電感（引線電感、雜散電感等）產(chǎn)生高dv/dt，從而導(dǎo)致強(qiáng)電磁干擾。
（4）PCB
準(zhǔn)確的說，PCB是上述干擾源的耦合通道，PCB的優(yōu)劣，直接對應(yīng)著對上述EMI源抑制的好壞。
2.開關(guān)電源EMI傳輸通道分類
（1）傳導(dǎo)干擾的傳輸通道
1）容性耦合
2）感性耦合
3）電阻耦合
a.公共電源內(nèi)阻產(chǎn)生的電阻傳導(dǎo)耦合；
b.公共地線阻抗產(chǎn)生的電阻傳導(dǎo)耦合；
c.公共線路阻抗產(chǎn)生的電阻傳導(dǎo)耦合；
（2）輻射干擾的傳輸通道
1）在開關(guān)電源中，能構(gòu)成輻射干擾源的元器件和導(dǎo)線均可以被假設(shè)為天線，從而利用電偶極子和磁偶極子理論進(jìn)行分析；二極管、電容、功率開關(guān)管可以假設(shè)為電偶極子，電感線圈可以假設(shè)為磁偶極子；
2）沒有屏蔽體時，電偶極子、磁偶極子，產(chǎn)生的電磁波傳輸通道為空氣（可以假設(shè)為自由空間）；
3）有屏蔽體時，考慮屏蔽體的縫隙和孔洞，按照泄漏場的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析處理。
3.開關(guān)電源EMI抑制的9大措施
在開關(guān)電源中，電壓和電流的突變，即高DV/DT和DI/DT，是其EMI產(chǎn)生的主要原因。實現(xiàn)開關(guān)電源的EMC設(shè)計技術(shù)措施主要基于以下兩點(diǎn)：
（1）盡量減小電源本身所產(chǎn)生的干擾源，利用抑制干擾的方法或產(chǎn)生干擾較小的元器件和電路，并進(jìn)行合理布局；
（2）通過接地、濾波、屏蔽等技術(shù)抑制電源的EMI以及提高電源的EMS。
分開來講，9大措施分別是：
①減小DV/DT和DI/DT（降低其峰值、減緩其斜率）；
②壓敏電阻的合理應(yīng)用，以降低浪涌電壓；
③阻尼網(wǎng)絡(luò)抑制過沖
④采用軟恢復(fù)特性的二極管，以降低高頻段EMI
⑤有源功率因數(shù)校正，以及其他諧波校正技術(shù)
⑥采用合理設(shè)計的電源線濾波器
⑦合理的接地處理
⑧有效的屏蔽措施
⑨合理的PCB設(shè)計
4.高頻變壓器漏感的控制
高頻變壓器的漏感是功率開關(guān)管關(guān)斷尖峰電壓產(chǎn)生的重要原因之一，因此，控制漏感成為解決高頻變壓器帶來的EMI首要面對的問題。
減小高頻變壓器漏感兩個切入點(diǎn)：電氣設(shè)計、工藝設(shè)計。
（1）選擇合適磁芯，降低漏感。漏感與原邊匝數(shù)平方成正比，減小匝數(shù)會顯著降低漏感。
（2）減小繞組間的絕緣層?，F(xiàn)在有一種稱之為“黃金薄膜”的絕緣層，厚度20～100um，脈沖擊穿電壓可達(dá)幾千伏。
（3）增加繞組間耦合度，減小漏感。
5.高頻變壓器的屏蔽
為防止高頻變壓器的漏磁對周圍電路產(chǎn)生干擾，可采用屏蔽帶來屏蔽高頻變壓器的漏磁場。屏蔽帶一般由銅箔制作，繞在變壓器外部一周，并進(jìn)行接地，屏蔽帶相對于漏磁場來說是一個短路環(huán)，從而抑制漏磁場更大范圍的泄漏。
高頻變壓器，磁心之間和繞組之間會發(fā)生相對位移，從而導(dǎo)致高頻變壓器在工作中產(chǎn)生噪聲（嘯叫、振動）。為防止該噪聲，需要對變壓器采取加固措施：
（1）用環(huán)氧樹脂將磁心（例如EE、EI磁心）的三個接觸面進(jìn)行粘接，抑制相對位移的產(chǎn)生；
（2）用“玻璃珠”（Glass beads）膠合劑粘結(jié)磁心，效果更好。



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| 發(fā)布時間：2017.09.07    來源：開關(guān)電源廠
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