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deFaraday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統降低，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方fang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ganESL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(dui)4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麵流動
，在圖1中在開關管導通時，原極接到初級的地


，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的方向向下
，累積形成的差模電流值大。在功率器件關斷瞬間，MOSFET漏-源yuan極ji電dian容rong充chong電dian，變bian壓ya器qi初chu級ji繞rao組zu的de層ceng間jian電dian容rong放fang電dian
，這zhe兩liang部bu分fen電dian流liu也ye會hui形xing成cheng差cha模mo電dian流liu
，同tong樣yang，基ji於yu電dian壓ya的de變bian化hua方fang向xiang，初chu級ji繞rao組zu層ceng間jian電dian容rong中zhong的de電dian流liu流liu動dong方fang向xiang向xiang上shang，累lei積ji形xing成cheng的de差cha模mo電dian流liu值zhi大da。

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/dt環huan路lu並bing采cai用yong寬kuan的de布bu線xian有you利li於yu減jian小xiao差cha模mo幹gan擾rao，由you於yu濾lv波bo器qi電dian感gan有you雜za散san電dian容rong，高gao頻pin幹gan擾rao噪zao聲sheng可ke以yi由you雜za散san電dian容rong旁pang路lu，使shi濾lv波bo器qi不bu能neng起qi到dao有you效xiao的de作zuo用yong，用yong幾ji個ge電dian解jie電dian容rong並bing聯lian可ke以yi減jian小xiaoESL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：初chu級ji繞rao組zu的de熱re點dian應ying該gai埋mai在zai變bian壓ya器qi的de最zui內nei層ceng，外wai層ceng的de繞rao組zu起qi到dao屏ping蔽bi的de作zuo用yong
，同tong樣yang，基ji於yu電dian壓ya的de變bian化hua方fang向xiang，可ke以yi得de到dao初chu級ji繞rao組zu層ceng間jian電dian容rong的de電dian流liu方fang向xiang，由you圖tu1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。

圖1：新新結構開關管導通和關斷時初級繞組層間電流流動方向

共模電流在輸入及輸出線與大地間流動
，主要有下麵幾部分可通過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。

圖2：Y電容作用及動靜點

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(wu)Y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)出(chu)
，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)此(ci)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：輔助屏蔽銅皮的中點連接到[member]
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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。

圖3：初級與次級及輔助共模電流

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，可以明顯地看出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。

圖4：初/次級靜點磁芯電壓波形

傳導及輻射測量

如圖5所示，從測試結果看，即使出除了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。

圖5：傳導及輻射測試波形

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。