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(de)Faraday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CCMmoshideshuchuerjiguandefangxianghuifudianliu。daotongdianliujianfengbunengtongguoshurulvbodezhiliudianjiedianrongpanglu，yinweishurulvbodezhiliudianjiedianrongyoudengxiaodechuanliandianganESL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dui4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/dthuanlubingcaiyongkuandebuxianyouliyujianxiaochamoganrao，youyulvboqidianganyouzasandianrong，gaopinganraozaoshengkeyiyouzasandianrongpanglu，shilvboqibunengqidaoyouxiaodezuoyong，yongjigedianjiedianrongbingliankeyijianxiaoESL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：chujiraozuderedianyinggaimaizaibianyaqidezuineiceng，waicengderaozuqidaopingbidezuoyong
，tongyang
，jiyudianyadebianhuafangxiang


，keyidedaochujiraozucengjiandianrongdedianliufangxiang
，youtu1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：輔fu助zhu屏ping蔽bi繞rao組zu繞rao製zhi方fang向xiang與yu次ci級ji繞rao組zu保bao持chi一yi致zhi
，輔fu助zhu屏ping蔽bi繞rao組zu與yu次ci級ji繞rao組zu的de同tong名ming端duan連lian接jie到dao一yi起qi，並bing連lian接jie到dao冷leng點dian，輔fu助zhu屏ping蔽bi繞rao組zu的de另ling一yi端duan浮fu空kong。由you於yu它ta們men的de電dian壓ya變bian化hua的de方fang向xiang相xiang同tong
，所suo以yi兩liang者zhe間jian沒mei有you電dian流liu流liu動dong，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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fuzhuraozudezhongdian。tongyang

，jiyudianyadebianhuafangxiangfenxidianliudefangxiang，keyikandao

，liangzhejiandedianliuxingchenghuanliu，xianghubuchangdixiao

，congerjiangdigongmodianliu。

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。