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高频变压器与EMI的关系

发布时间:2018-01-18 浏览次数:169

变压器与EMI 的关系

研发工程师解决棘手的EMI问题时,很多时候都未能认真地研究变压器的设计。变压器与EMI之间有如下的关系。

■由于变压器的线圈带有高频电流,因此变压器实际上已成为接收 H 场的天线。这些 H 场会冲击附近的走线,并通过这些走线将 H 场传导或辐射到密封的范围以外。

■由于部分线圈有摆动电压,因此实际上它们也成为接收电磁场的天线。

■初级及次级线圈之间的寄生电容可以将噪声传送到绝缘层之外。由于次级线圈的接地通常都与底板连在一起,因此这些噪声又会通过这个接地面传送回来,成为共模噪声。因此为了减少泄漏电感,最好将初级及次级线圈紧靠在一起,但这样也会增加线圈的互感,从而增加共模噪声。

下面介绍一些有助于防止上述干扰情况出现的技术。

■符合安全规格的变压器都在初级及次级线圈之间贴上三层符合安全规格的聚酯 (Mylar) 胶带。除了这三层聚酯胶带之外,可能还会另外加插一片法拉第屏蔽铜片,以便将汇集在绝缘边界的噪声电流收集在一起,并将这些噪声电流分流到别的地方 (通常会传送到初级线圈的接地)。值得留意的一点是,应该采用极薄的铜片作为屏蔽,以免因出现涡流而产生损耗,并确保可减少泄漏电感。这片铜片一般厚2~4 密耳(mil),只环绕中央盘一周。另外还有一条导线焊接在铜片中心的附近,而另一端则连接初级线圈的接地端。这里要注意,铜片屏蔽的两端不应该有电导性能上的连接,因为对于变压器来说,这样会令这一绕圈短路。也可以在次级线圈上 (即加了三层绝缘之后) 再加设一个法拉第屏蔽,而这个屏蔽则与次级线圈接地连在一起。

■通常变压器的外围会有一层铜片屏蔽(即“磁通带”)包围着。这个屏蔽主要用以遮挡辐射。低成本的设计通常会任由这个屏蔽浮动,但如有需要,这个屏蔽也可与次级线圈接地连在一起。如果按照这个方式连在一起,便需要考虑一些安全方面的问题,例如加强初级及次级线圈之间绝缘效果的规定问题,以及如何规定初级至次级线圈之间的“蠕动”(沿着绝缘面的一段距离)及“间隙”(空间的最短距离)问题。如果变压器的外盘设有空气隙,源自空气隙的周边磁通会在磁通带产生严重的涡流损耗。因此这个磁通带的厚度通常也只有 2~4 密耳。需要注意,这个磁通带的两端可以而且应该焊接在一起,因为这是外层屏蔽,无论怎样也不会让变压器的绕线出现短路情况。但像拉法第屏蔽一样,如果采用良好的绕线技术,这个外层屏蔽也可以不用。

■从电磁干扰的观点来看,回扫变压器最好采用中央设有间隙的设计,即变压器的外盘并无间隙。无屏蔽的空气隙会在周边产生电磁场,换言之,会产生大量EMI信号。这些干扰除了会导致磁通带产生大量涡流损耗之外,也会成为强力的辐射源。

■初级线圈通常会设有一个辅助线圈,为控制器及相关电路提供低干线电压。辅助线圈的其中一端与初级线圈接地连在一起。只在辅助线圈的线轴上绕一层线,而且利用一个 22pF~100pF 的小型陶瓷电容器,再利用交流电将辅助线圈的另一端 (即二极管的一端) 与初级线圈接地耦合在一起,以确保辅助线圈可以收集及转移更多噪声(正如图 1 所示),如果依照以上所说进行,辅助线圈便可提供多一个屏蔽 (虽然这是一个粗糙的法拉第屏蔽)。但实际上并不需要这个法拉弟线圈提供任何电流。因此这个电路根本无需采用这个线圈。可以采用细线以较疏的间距绕线圈,线的一端连接初级线圈接地,而另一端的22 pF 小型电容器则直接接地。

■由于场效应晶体管的漏极产生摆动电压,因此最好将初级线圈的这一端尽量埋藏在最底的一层,即应该属于底层绕线的第一层。外层绕线便可将来自这层的电磁场屏蔽。这个线圈的漏极端绝对不应放在靠近“安全屏障”(三层胶带) 的位置。闯进来的噪声电流与寄生电容器两块铜片之间的净 dV/dt 成正比。若大幅降低电容,便会对泄漏电阻造成不利的影响,因此应该尽量减低这个电容器的净 dV/dt 值。

■通过比较图 1左边的结构框图与右边的电路图,便可发现任何线圈的首尾两端都有特别的标示。尤其是右边的电路图,开始的一端全部用黑点标示出来。以典型的生产流程来说,绕线机每一次绕线都采用同样的旋转方向,所以所有开始端(以黑点标出的一端) 都有同样的磁性性能(因此如果某一黑点处于高位,其它黑点也同时处于高位,这与另一端的表现不同)。若细心留意其中的真实距离,便会发现某一线圈的每一黑点端都很靠近下一线圈的无黑点端。

■换言之,以图 1 的回扫变压器来说,次级线圈的二极管端一定靠近安全屏障。因此虽然次级线圈会产生一部分 dV/dt ,但初级线圈只有极小的 dV/dt,令屏障两边只产生极小的净 dV/dt。这个 dV/dt 值会比初级线圈漏极靠近安全屏障的数值小得多。若变压器线圈的绕线方式有错,即图 1 所示的首尾两端以反方向绕线,便会出现初级线圈漏极靠近安全屏障的情况。若采用这种设计,便会有大量的共模噪声直接闯入底板/接地。

■图 1 的变压器有它的优点,那就是次级线圈的无噪声端 (接地) 属于最外层。这一层形成一个很好的屏蔽,因此可以无需采用铜片屏蔽环绕该线圈。

■可以利用同样的原理解释正向转换变压器的操作,但由于受到前述线圈的摆设次序所限,令初级及次级线圈的无噪声端自动分隔在安全屏障的两边。从传导电磁干扰的角度来看,这个安排较好,因为极少噪声会通过寄生电容闯入线圈。但最外层已不再属于无噪声区,而且可能会有辐射问题出现。在这样的情况下,必须采用屏蔽将线圈包藏起来。

■正向转换器外层辐射问题有一个解决的办法。即要求制造商将次级线圈 (只限于次级线圈) 的绕线方向反过来。例如,绕线机一直按照顺时针方向进行绕线,但到次级线圈时,可以按反时针方向绕线。若按照这个方式绕线,以上所说有关回扫变压器的运作原理也适用于正向转换变压器,令转换器的外层在没有屏蔽时也不会受辐射干扰。

■正向转换变压器并无空气隙,即使有,这个空间也很窄小,因此它是低噪声变压器。此外,也可按照邻近效应的分析,将线圈交错排列,以便大幅减少能产生泄漏磁通及EMI 的磁力。

■将晶体管安装在底板之上时,可以尝试将散热片的电容感生电流消除。办法是采用另一线圈,其匝数与主线圈相同,但相位相反,而线圈的绕线可以更为细小。

■棒式电感器经常用于输出端的滤波后 LC 级。由于这些电感器采用开放式结构,因此一直称为“电磁干扰大炮”。由于这类棒式电感器成本较低,而且占用较少电路板空间,因此至今仍然有人使用。但它们应垂直放置,若两条棒式电感器同样用于某一输出,则应该采用相同的绕线方式将绕线绕在两条棒上,然后将印刷电路板的设计稍加修改配合,使两条棒的电流以截然相反的方向流动。这样有助于将某一电感器的磁通直接耦合到另一电感器,确保不会有太多磁通溢出。

布局设计

■应小心审视每一布局,以确定印刷电路板哪一部分走线最具关键作用。启动或关闭时,电流若突然间开始或停止流动,往往会令走线产生电感尖峰。每一次过渡时,这一部分走线会产生极高的 dI/dt 尖峰电流。根据以往的经验,即每一英寸走线有 20nH电感,电压尖峰可以利用方程式 V=L(dI/dt) 计算出来。这些高频电流环路的面积必须尽量缩小,因为这些电流不但会产生EMI,而且还会闯入内置式开关稳压器的控制电路,令操作出现错误。

■构思设计时必须小心,以防无意中令走线产生摆幅过高的电压,因为高摆幅电压的走线会成为极易接收电场信号的天线。无论采用什么布局,连接开关节点的走线很容易产生这种天线效应。因此需要加大其铜线面积,以降低电感。

■接地也是降低EMI整体水平的好办法,而且是非常有效的方法。以多层式电路板为例,电路板的外层都设有电源器件及相关的走线,如果连接的下一层是接地,EMI会下降 10~20 dB。若与采用成本较低的单/双面电路板相比,这个方法更具成本效益,而且无需采用笨重的滤波器。但这样的接地面必须确保传送的信号完整无损,因为在低频环境下,回流电流有这样的倾向,就是喜欢选择最短的直线路径,但较高频的谐波大多数会直接在另一面的正向走线下按照自己的影像复制。只要有机会,电流就会自动缩小其包围面积,因为这样可降低走线的电感,以及为电流指示一条最低阻抗的路径。若因考虑不周而在不适合走线的地方将其它走线贯穿接至地面,会导致真正需要该部分接地面的功率转换器级受其影响,令其回流电流绕过贯穿的走线,这样会产生频槽天线效应。

问题的解决办法

最好的办法还是先将共模及差分模式的信号分开,然后分别加以研究,以便调试不理想的频谱。LISN 的读数只提供总传导噪声中的某一加权部分,因此除非有特别的辅助配件 (包括经修改的 LISN),只能通过猜测来确定哪一部分EMI属于差分模式,哪一部分属于共模。若只靠 LISN 读数,未必知道干扰的真正原因。图2 显示两条电流探测路线,它们互相缠绕在一起,其效果好像利用“联立方程式”将共模与差分模式的部分分开计算。实际设计当中,同时进行这两项测量比分开进行好,因为这样可以知道共模信号与差分信号之间的相对相位关系。这是非常宝贵的信息。

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