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#技术实例##首发#如何抑制反激变压器共模EMI和去除Y电容器

前面我们讨论了反激变换器的基本设计、低功耗方案、仿真验证,那么在我们基本功能都调试成功后,还需要进行一个让工程师非常头疼的EMC问题。虽然通过各种论坛、博客中了解了噪声传导路径以及各种整改经验,话说回来不同的电路工况可能不一定适用,但是能提供一定的解决办法。

那么本文将重点讨论:

传导方面:反激变压器降低共模EMI的技术以及简单的测试方法,能够帮助在大规模测试中快速设计和评估变压器。

传导整改建议。

一:传导整改——变压器

国际惯例先上一波传导问题:(无图无真相)

传导很惨,根据论坛上的整改建议都试了个遍,尤其是400KHz~600KHz降不下来。从理论上分析,该部分为差模成分,实际验证其实不然,增加X电容于事无补,我的样机该部分共模成分较多。所以整改措施只是个方向,不能迷信。

【本次项目交流输入测为C8接口仅有L、N两根线】

那我们先看看传导测试中的点点滴滴:

传导测试方框图相信大家并不陌生了,在这里就不详细说明。

还是一样,我们再来回顾一下反激变换器中的共模和差模路径:

反激式转换器的共模噪声路径:一条路径是从 MOSFET 的漏极到大地,另一条路径是从噪声源通过变压器的寄生电容到次级侧,然后对地,如图所示,为了降低CM噪声,通常在适配器中使用CM电感和Y电容。

如果 Cq 代表从 MOSFET 漏极到 MOSFET 散热片,然后从散热片到大地的寄生电容,CM 噪声可以从 MOSFET 漏极通过 Cq 流到大地 。 通过将 MOSFET 的散热器连接到初级接地 (Pri GND) ,可以消除这种 CM 噪声。 根据二极管的半导体结构,二极管与其散热器之间的主要寄生电容是从阴极到散热器的 Cd。 在图中,由于阴极电压电位恒定,二极管和散热器之间的寄生电容不会产生共模噪声。 次级散热器可接地至 Sec GND,因此两个散热器之间的寄生电容可用作 Y 电容器,并且不会产生 CM 噪声。 在某些应用中,MOSFET 和二极管共用同一个散热器。散热器可以通过一个小电容等效地接地到Pri GND,那么CM仍然可以消除。如果可以消除通过散热器到大地的 CM 噪声,流经初级侧和次级侧变压器绕组之间的寄生绕组电容的 CM 噪声将成为 CM 噪声的主要贡献者。 因此,应该开发一个 CM 变压器绕组电容模型来进行 CM 噪声分析。

本文侧重分析一下反激变换器共模噪声:

反激式转换器中,初级散热器连接到 Pri GND,次级二极管散热器连接到 Sec GND。 Cq1 是漏极到散热器寄生电容。整个Flyback 适配器周围有一个金属屏蔽盒,它连接到Sec GND。正因为如此,初级散热片和连接到 Sec GND 的金属屏蔽盒之间存在寄生电容;主散热器和副散热器之间的寄生电容。这两个寄生电容并联,总和为图中的 Cq2。由于金属屏蔽盒,从散热器到测量地没有寄生电容。 Cy 是连接在 Pri GND 和 Sec GND 之间的 Y 电容器。因此,Cq2 与 Cy 平行。由于金属屏蔽盒对测量地存在寄生电容,并且包括Vout线和Sec GND在内的直流输出都连接到金属屏蔽盒,因此直流输出和测量地之间存在寄生电容。 ZSG 代表该阻抗。在图中,当分析高频 CM 噪声时,可以将 DC 电容器视为短路,而 LISN 可以表征为 25Ω电阻器。当二极管桥中的一对二极管导通电流时,二极管桥阻抗很小,因此共模噪声最高。

CM 电感器的阻抗为 ZED。 变压器,包括初级、次级和辅助绕组,在图中用方框表示,稍后将用双电容模型代替。 根据替代定理,如果网络中的非线性开关器件被替换为电压或电流波形与被替换的原始组件完全相同的电压或电流源,则网络的所有电压和电流都不会改变。

基于以上分析,我们可以得到一个表达式:

可以根据公式中的相关参数来降低 CM 噪声。 例如,应通过改进变压器绕组结构或在初级和次级绕组之间增加外部电容器来尽可能减少CBD。 使用大的 Y 电容Cy 也有助于减少 CM_noise。 然而,它增加了初级侧和次级侧之间的总电容,这反过来又会增加从初级侧到次级侧的漏电流,并可能引起安全问题 ,因此它可能是不合适。 使用大 CM 电感器来增加 ZED 也有助于降低 CM 噪声,但它会增加转换器的尺寸和成本,因此它也可能不是一个完美的解决方案。 因此,最好的解决方案是降低变压器的 CBD。 

如何快速测试变压器的共模电容大小呢?请继续往下看:

首先拿出一个例子,开篇提到传导较差时候的变压器绕制方式:

改进后的变压器绕制方式:

为了提取 CBD 和 CAD,开关频率下的正弦信号来自图中A、B端先加信号发生器,由于初级绕组A端和辅助绕组一端均接输入直流母线,两端通过直流母线电容等效连接在相关频率范围内的初级侧。图 12 中的测量设置是为了模拟这种实际情况。类似地,如果变压器有多个次级绕组,绕组端子在相关步骤中通过直流电容器有效短路,则使用示波器测量端子 B 和 A 之间的 VBA,以及端子 D 和 A 之间的 VDA,如图所示图。

通过以上方式测试(黄色为信号发生器输出波形 绿色为变压器原副边耦合波形)

1、改进前----耦合幅值780mV

2、改进后----耦合幅值450mV

相同条件下传导测试波形:

二、小结一下传导整改建议

1、传导和辐射测试大家看得比较多,论坛里面也讲的多,实际上这个是个砸钱的事情。砸钱砸多了,自然就会了,整改也就快了。能改的地方就那么几个。1、这个里面看不见的,特别重要的就算是PCB了,有厉害的可以找到PCB上的线,割断,换个走线方式就可以搞掉3个dB,余量就有了。

2、一般看到笔记本电源适配器,接电脑的部分就有个很丑的砣,这个就是个EMI滤波器,从适配器出线的部分到笔记本电脑这么长的距离,可以看成是1条天线,增加一个滤波器,就可以滤除损耗。所以一般开关电源的输出端有一个滤波电感,效果也是一样的。

3、输入滤波电感,功率小的,UU型很好用,功率大的基本用环型和ET型。公司有传导实验室或者传导仪器的倒是可以有想法了就去折腾下。要是要去第三方实验室的就比较痛苦了,光整改材料都要带一堆。滤波电感用高导的10K材料比较好,对传导辐射抑制效果都不错,如果传导差的话,可以改12K,15K的,辐射差的话可以改5K,7K的材质。

4、输入X电容,能用小就用小,主要是占地方。这个要配合滤波电感调整的。

5、Y电容,初次级没有装Y电容,或者Y电容很小的话一般从150K-30M都是飘的,或者飞出限值了的,装个471-222就差不多了。Y电容的接法直接影响传导与辐射的测试数据,一般为初级地接次级的地,也有初级高压,接次级地,或者放2个Y电容初级高压和初级地都接次级的地,没有调好之前谁也说不准的。Y电容上串磁珠,对10MHz以上有效果,但也不全是。每个人调试传导辐射的方法和方式都有差异机种也不同,问题也不同,所以也许我的方法只适合我自己用。无Y方案大部分是靠改变变压器来做的,而且功率不好做大。

6、MOSFET吸收,DS直接顶多能接个221,要不温度就太高了,一般47pF,100pF。RCD吸收,可以在C上串个10-47Ω电阻吸收尖峰。还可以在D上串10-100Ω的电阻,MOSFET的驱动电阻也可以改为100Ω以内。

7、输出二极管的吸收,一般采用RC吸收足够了。

8、变压器,变压器有铜箔屏蔽和线屏蔽,铜箔屏蔽对传导效果好,线屏蔽对辐射效果好。至于初包次,次包初,还有些其他的绕法都是为了好过传导辐射。

9、对于PFC做反激电源的,输入部分还需要增加差模电感。一般用棒形电感,或者铁粉芯的黄白环做。

10、整改传导的时候在10-30MHz部分尽量压低到有15-20dB余量,那样辐射比较好整改。

开关频率一般在65KHz,看传导的时候可以看到65K的倍频位置,一般都有很高的值。

总之,传导的现象可以看成是功率器件的开关引起的振荡在输入线上被放大了显示出来,避免振荡信号出去就要避免高频振荡,或者把高频振荡吸收掉,损耗掉,以至于显示出来的时候不超标。

各位工程师,如果对你有帮助的话,记得长按点赞一键三连支持一下,后续我会带来辐射相关案例,谢谢。

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  • xiaojing4544 2023-03-14 23:53
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  • zsuyuhu 2022-11-28 00:14
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  • Tim(自国) 2022-10-10 11:00
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  • 12354 2022-05-03 16:05
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  • maimaiti701 2022-04-01 22:03
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  • 凤求凰88 2022-01-22 21:28
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  • 星球居民-mQrYyK28 2022-01-17 10:36
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  • tt_engineer 2021-12-13 17:59
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