《开关电源的电磁干扰防制关键技术传导篇.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关电源的电磁干扰防制关键技术传导篇.doc（37页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、1 前言电源产品在做验证时，经常会遭遇到电磁干扰(EMI)问题，有时解决起来需耗费非常多时间，许多工程师在对策电磁干扰时也是经验重于理论，懂得哪个频段要对策那些组件，但对于理论上分析却很欠缺。笔者从事开关电源设计近年，但愿能藉由之前对策经验与有关理论基本做个整顿，让当前正从事或将来想从事开关电源设计人员对电磁干扰防制技术能有初步结识。开关电源电磁干扰测试可分为传导测试与辐射测试，普通开关电源传导测试频段是指150K30MHz之间，而辐射干扰频段是指30M300MHz，300MHz之后频段普通皆不是电源所产生，因而大都可以予以忽视。下面内容章节涉及开关电源传导测试法规，测试与量测方式，基本概念，
2、抑制传导干扰滤波器设计，布线与变压器设计等章节。2 传导测试法规传导法规因产品别不同，其所合用之条文亦不同，普通是使用欧洲EN-55022或是美国FCC part15来定义其限制线，又可以区别为CLASS A与CLASS B两种原则，CLASS A为产品在商业与工业区域使用，CLASS B为产品在住宅及家庭区域使用，笔者所设计产品为3C家用电源，传导测试频段为150K30MHz，在产品测试前请先确认申请安规为什么，不同安规与级别会有不同原则线。图1举例为EN-55022CLASS B限制线图，红色线为准峰值（QP，Quasi-peak）限制线，粉红色为平均值（AV，Average）限制线，传导
3、测试最后目地，就是测试机台可以完全低于其限制线，无论是QP值或AV值；普通在申请安规时，虽然只有在限制线下方即可申请，但多数都会做到低于2dB误差以防止测试场地不同所导致差别，而客户端有时会规定必须低于46dB来防止产品大量生产后所产生误差。图1图2图2为一量测后例子，普通量测时都会先用峰值量测，因峰值量测是最简朴且迅速办法，量测仪器以9KHz为一单位，在150K30MHz之间用保持最大值(maximum hold)方式来得到传导峰值读值，用此来确认电源最大峰值然后再依此去抓最高峰值实际QP，AV值来减少扫描时间，图2蓝色曲线为准峰值峰值量测成果，普通在峰值量测完后会再对较高6个频率点做准峰值
4、(QP)与平均值(AV)量测，就犹如图2所标示。峰值与准峰值差别在于：峰值量测是无论时常浮现或是偶尔浮现信号皆被以最大值方式置在接受器读值中，而准峰值量测是指在一时间内取多次此频段脉冲信号，若某频率信号在一段时间内重复浮现率较高，才会得到较高之量测值；平均值则是对此频段振幅取平均值，典型频谱分析仪可将带宽设定在30Hz左右来得到最真实平均信号。QP与AV相较于峰值，其侦测值必然较低，若一开始峰值量测已有足够余度则不用再做单点QP和AV量测。当前IC为了EMI传导防制，在操作频率上都会做抖频功能，像是IC主频为65KHz，但在操作时会以65KHz正负6K做变化，藉此来将差模倍频信号打散，不会集中
5、在单一根频率上，如果没有抖频功能，差模干扰在主频倍频时会呈现单根很夯实QP与AV，犹如图2157KHz，仪器看到峰值满高，但读起来还仍有9dB以上余度。3 传导测试与量测方式图3为测试传导参照图示，此为通嘉内部传导设备图示，待测物接仿真负载后放于桌面上，经由一输入线材(AC cable)连接LISN(线性阻抗稳定网络)与待测物，再将LISN信号接至接受器，输入线材不得与地面接触，而待测物负载需与待测物距离10公分，若周边需接电源时，其电源需接独立电源，不得与待测物使用相似电源，若电源为2PIN输入，则输出负载需接地以仿真系统下地。LISN(线性阻抗稳定网络)内部线路如图4所示，输入电源来源由左
6、边进入LISN后，经由LF与CF来滤除电源低频噪声，并由耦合电容CC与侦测电阻RSL/RSN来获得高频信号Vsn，再将此信号经接受器或频谱分析仪来得到其振幅大小(dBuV)。图3图4请记得输入线材不得与地面接触，笔者曾有过输入线材与地面接触与否，读值差了10dB左右经验；此外，周边仪器电源需使用干净且与主电源隔离电源，否则很容易因共地而产生共模干扰，许多测试场地会直接拿一种延长线去使用外接电源予以周边，但此种方式仍有也许因共地而被干扰，若能使其接至另一种LISN是个较好方式，因LISN内有LF与CF可作信号隔离。4 对策EMI传导基本概念4.1 差模(Differential mode)信号与
7、共模(Common mode)信号传导量测接法如图5、图6所示，是由接受器量测L/N/GND之间频率与振幅大小而成，而信号存在于L与N之间叫差模信号，如图5所示；而信号存在于L与FG或N与FG之间叫共模信号，如图6所示，也可以说与FG形成回路就叫共模信号。普通电源输入来源皆是取自L与N，因而在电源电磁干扰设计中，差模成分抑制极为重要，特别是前频段150K1MHz大多是由开关电源主频与倍频出来差模干扰。图5图6图7为一未对策前传导测试成果，前端为IC操作频率所引起倍频差模干扰加上本体共模干扰所形成，由图形可看出每根峰值之间频率为100KHz，可判断此IC操作频率为100KHz，而测量读值是呈现由
8、IC 100KHz倍频做线性衰减，因而每100KHz就有一根因IC操作频率所导致差模干扰信号，也可以说在前频段时，共模信号呈线性平面下降，而差模信号则迭加在共模上方。图7图8为相似机台在对策后测试成果，在对策后最差都尚有6dB以上余度，已可符合多数客户规定。普通在测试时，必须测试L与N两项，普通L与N读值不会差别太大，若差别很大普通都是某项共模能量较强所致。测试输入电压则是看申请安规来决定，普通是用110V与230V来做高低压量测；此外，产品在确认传导测试时皆需要做长时间烧机，有时会因烧机后磁性组件过热导致感量异常而让EMI变差。图84.2 电磁干扰，电场干扰与磁场干扰电磁干扰(EMI，Ele
9、ctrical Magnetic Interference)可分为电场干扰与磁场干扰两种，电场与磁场是两种不同性质，但两者之间能量是会互相影响，随时间变化电场会产生磁场，而随时间变化磁场也会产生电场，这些不断同相振荡电场和磁场共同形成了电磁干扰(电磁波)。普通对于电场，咱们可以用下面电荷公式与电容公式来作解释，简朴来说，任何导体在电场下都可等效成一种带电电容，其容值随着与周边另一种导体之间距离表面积介质不同而有差别；如图9为两导体之间电容图示，绿色导体与蓝色导体所等效电容如图10所示，依照电容公式，容值会因两导体之间距离愈远而变小，也会因两导体之间截面积愈大而增大，而两导体之间介质(介电系数)
10、也会影响容值大小。图9图10当电容二端电位在时间之内存在一电压差时，则会依照电荷公式(电压时间变化，如图12)而产生一电流，如图11红色箭头所示，而任何产生电流必须经由另一途径回到自己出发时位置而形成一电流回路，如棕色虚线箭头所示，此因电压变动导致电流回路就会引起电场干扰。图11图12因而，改进电场干扰方式，就是减少其回路电流办法，依照上面两个公式，咱们可以藉由将耦合电容减小，像是减少两个导体之间接触面积增长其距离变更中间介质等方式来减少电容效应，或是减小电压差或时间变化率来减少电场感应。而对于磁场，咱们可用安培右手法拉第定律()来解释，当导体有电流流过时，在其周边就会依安培右手定律产生磁力线
11、，如图13所示，因电流不也许单独存在，电流一定存在于回路之中，凡是电流流过途径都会产生磁力线，而在普通PCB板设计中(如图14所示)，当电容形成一种电流回路时就会产生如虚线磁力线，而磁力线通过导体会因而产生感应电势，此即为磁场干扰。图13图14特别是电流流经导体在没有闭合回路铁心时，因磁力线无法经由高导磁材料做回路，磁力线会经由外部空气做回路而让周边产生磁场(漏磁通)，图15所示为普通变压器磁力线，大多数磁力线皆会经由高导磁材料(铁心)，但在中间有气隙地方就会有许多漏磁通产生(如图16虚线所示)，而也有少部份漏磁通会通过与变压器垂直地方，因而若有组件在变压器正上方或下方，是很容易被此漏磁通干扰
12、。图15图16因而，改进磁场干扰方式，涉及两部份，一是减少磁力线能量，涉及变化电流振幅时间变化率等，另一是减少磁力线影响，涉及缩小电流回路，拉开两者之间距离，导体面积等办法。电场耦合效应如图17所示，在PCB板上有两导体时会有一等效电容效应，而当左端布线有一时变电压产生时，其右边导体会因电场耦合效应而产生一耦合电流，此耦合电流即是因电场效应所产生电场干扰。磁场耦合效应如图18所示，在PCB板上有两导体回路时，当左边回路有一时变电流产生，其右边回路也会因磁场耦合效应而产生一耦合电压(感应电势)，此电压即是因磁场效应所产生磁场干扰。图17图18产生电场干扰因素，在于带电体电荷重新分布，因电荷变化后
13、会让电容两端电压变化而不断充放电。产生磁场干扰因素，在于流过导体电流在不断变化，即电流产生磁力线会使周边导体感应出电动势，告成磁场干扰。电场与磁场干扰来源于迅速能量(电压电流)变化；而迅速能量变化可分两部份，一是能量本体频率(变化率)，一是能量本体振幅(大小)，而对策电磁干扰方式不外两种，一是对策能量本体，像是抑制此能量振幅或是变化其变化率，像是缓冲器，导通(截止)速度，更换组件速度，变压器设计等，另一是截断干扰耦合途径，将干扰源封闭在电源本体里面，像是用LC滤波器，铜箔，外壳等，无论使用何种方式，目都是为了达到电磁干扰可以通过法规需求。4.3 寄生组件影响在实际电源产品中，处处都布满了寄生组
14、件，涉及组件本体寄生组件与布线构成寄生成分。当频率到MHz时，nH电感与pF电容会对EMI产生非常大影响。以一种环形电感来举例，多数工程师只在乎它Al值，即绕了几圈后可以得到多少感量，却没有去考虑到她等效电容(ESC)与等效电阻(ESR)，而在电磁干扰领域，此等效电容与等效电阻却非常重要；抱负磁性组件，其阻抗应与频率成正比(Xl=2*pi*f*L)，即频率愈高时其阻抗愈高，但在实际应用里，组件等效电容却会抑制其阻抗特性。如图19为一电感阻抗与频率曲线，在频率低于共振点时，其阻抗会因频率上升而增长，但在过了共振点(Fr)后，阻抗却会因频率上升而变小，而无法达到预期抑制效果。图19笔者在对策电磁干
15、扰时将频段分为二部份，10M如下频段与10M以上频段，在10M如下频段，其对策与变压器/滤波器/布线/构造等较有关，而在10M以上频段，其对策与变压器/布线/滤波器/缓冲器(Snubber&Bead)/开关组件与速度/屏敝等较有关，因布线/滤波器/变压器在高低频皆会影响，因而笔者在此先针对布线/滤波器/变压器等(10M如下)先做简介。5 布线(Layout)设计概念由之前简介可知，电场干扰与磁场干扰是电磁干扰里最大干扰源，不但布线走线会大大影响电场与磁场耦合途径，也会因布线寄生组件而影响电源特性，因而良好布线方式是从事电源设计不可缺少能力之一，不但多数电性问题皆因不良布线导致，电磁干扰好坏也与
16、布线习习有关，无论是传导或辐射。多数布线工程师并不懂得如何走线方式较好，而只以为每个节点都接到即可，愈资深工程师则愈会对布线有所规定，以作者经验，60%以上电性不良皆是因布线所致，而在此将布线基本概念概述如下：5.1 安规距离与制程规定此为最基本规定，任何产品皆需要达到安规规范，而不同产线也会有不同制程规定，像是组件本体大小，各组件之间距离，接点大小，白漆等，普通此规范会由各家布线工程师管控，因而在这里不做多述。5.2 电源途径与信号途径需分开在开关电源设计里，信号可分为大电流与小电流，以 反激式(flyback)架构为例，大电流是由输入电源进来至滤波器，桥式，大电容，变压器，初级侧开关，次级
17、侧二极管，输出电容到输出线材等走大电流途径称为电源途径(power trace)；而走小电流途径就称为信号途径(signal trace)，像是IC周边组件或回授电路。电压愈大会有较大电场产生，而电流愈大则会有愈大磁场产生，而周边组件，特别是良导体愈接近此电场或磁场就会耦合愈大能量，因而在做布线安排时，尽量让电源途径与信号途径分开来走，以免信号途径被干扰产生误动作，也避免干扰源藉由其她导体放大其干扰信号，在此将电源途径与信号途径分别阐明如下：5.2.1 电源途径基本概念把布线途径想象成一条水流(即电流)，水流自然会往河流愈宽地方流(走线愈粗地方)，并且也自然会往低处流(往目的，即输出端流)，在
18、电源途径上组件皆应当照顺序流过，否则会大大地衰减其作用。电容是储存电荷组件，愈大电容可储存愈多电荷，因而在看电源途径时，可视电流由电容正端出发，经由开关组件回路后再回到电容负端形成开关回路。图20为一升压加反激(PFC+Flyback)架构例子，PFC前端会有一颗小电容，PFC会由此电容形成一导通回路(绿色箭头)经电感，MOSFET，Rsense回小电容，与截止回路(紫色箭头)经电感，二极管，大电容回小电容；即电流由电容正端出发，经一回路之后再回到电容负端；同理，Flyback由大电容正端开始，经变压器，MOSFET，Rsense后再回到大电容负端；输出则由变压器正端，经输出二极管，输出电容后
19、回到变压器负端。图20因电源途径有很大电流与电压变动，因而在布线时要注意，流过大电流回路会产生磁场辐射，因而大电流走线要尽量短与粗，特别是次级侧。高电压开关走线则要尽量减少其面积以减少电场效应，并尽量减少其相临导体面积与之间距离以减少等效电容，图21与22为量测反激式变压器两端电压波形，由波形可知在MOSFETDrain端与Diode正端有很大电压变化量，因而在布线时此两点布线面积要尽量小，也尽量远离其她导体以避免电场效应。图21图22有时由于布线考虑，无法将回路变很短，这时咱们可以靠高频电容来帮忙，像是在大电解电容同电位上并联一种陶质(高频)电容，因多数电解电容是低频组件，而并联高频电容可以
20、提供开关时高频电流，此电容可放在如图23所示位置，在PFC端可在二极管后端并一颗小电容且接近PFC MOSFET地，缩短PFC截止时回路，而Flyback端则可以在接近变压器正与Rsense负端并一颗电容来形成较短回路；愈短回路可以减少电场导体与磁场回路面积来得到更好EMI效果。图235.2.2 信号途径基本概念凡不是电源途径(Power trace)，皆可称为信号途径(Signal trace)，因IC是撷取电源途径里电压电流信号来维持系统稳定，因而在信号途径里最重要就是从撷取信号源到各IC 脚端时与否干净以利IC运作。在电磁干扰领域里，信号途径普通需注意两点，一是辅助绕组(Vcc)回路，一
21、是小信号回路。辅助绕组回路如图24所示，在此举例IC为通嘉6 PIN IC(LD7538)，其辅助绕组回路是由变压器辅助绕组绕组，二极管，电解电容先形成一开关回路再接至IC，就犹如二次侧切换回路普通，让此开关回路愈短愈好。IC供电脚与地脚旁边普通需并联一颗MLCC小电容(0.1uF)，此电容愈近IC愈好，因而电容是高频电容，IC在驱动MOSFET时会由此电容抽能量，且其她噪声在进IC前可先被此电容过滤一次，无论此噪声是经由偏压回路或是地回路皆有过滤作用。图24小信号回路是指IC各个出脚端，信号愈小脚位愈容易被干扰，IC在运作时不外乎侦测电压或电流信号，电压信号是由此脚位与地之间形成电压准位来做
22、鉴定，而电流信号则是由撷取信号端到IC脚位上电流大小来决定，因信号愈小愈容易被外来信号所干扰，特别是不到1V电压信号或是不到1mA电流信号，因此在布线时要非常小心此小信号走线。此外，IC驱动MOSFET栅极回路里也会回到IC地而形成一电源回路，由于了减少开关损失，IC流入或流出MOSFET栅极电流有时会超过1A以上，因而IC输出至MOSFET栅极与IC至地走线也很重要，其回路就犹如下图粉红色所示。在此以反激式架构来做阐明，反激式简图如图25所示，MOSFET下方会串联一电阻(Rsense)来做电流侦测，其侦测信号普通都很小来达到低功率损失（1V），因而布线时要注意此电阻正端截取信号线，若此信号
23、线在回IC前有加电阻与电容低通滤波器(RC filter)，则此电阻电容要愈接近IC愈好，如此可让任何外来噪声在进IC前皆被此滤波器衰减过，而电阻负端(GND)回IC途径也是愈短愈粗愈好，因IC是侦测电阻两端电压来运作，途径愈短可以减少寄生电感效应而让IC看到愈真实信号。图25因IC信号普通都较小，很容易受到外来干扰而产生误动作，因而在布线时除了要注意与电源途径距离外，也需注意与任何会产生干扰组件，像是与磁性组件磁力线会影响到周边，或是电源输入线材周边等高压电位都是需注意地方。电源与信号途径有一种共同接点：GND，地走线对EMI影响非常大，参照地回路接线方式如图26所示。图26橙色线为Y电容建
24、议连接法，让输出地经由Y电容直接连至桥式整流器负端，让雷击或ESD能量可以迅速经由Y电容通过。绿色线为辅助回路建议接法，让电解电容直接回变压器地，再单独接至大电容地。红色部份为IC地建议接法，因MOSFET下方电阻是电源途径(会走大电流)，要尽量接近大电容来形成较小电流回路，再由大电容拉一条线至辅助绕组积层陶瓷电容(MLCC)，再进入IC地，而其她IC周边组件地，即以MLCC电容为中心连接点，此接法普通称为心脏接地，即以此电容为心脏中心，IC周边下地点都接回至此电容，如此任何地信号要进入IC地之前，都可以先被此MLCC电容过滤成较干净信号。在布线时，任何大面积导体都需要特别留意，涉及散热片外壳
25、输入输出线材等，这些导体犹如一天线，会放大任何在上面信号，不但这些组件所接位置非常重要，其通过途径也需注意；普通来说，散热片与外壳不可空接，否则其很容易与周边组件耦合电场效应而产生高频干扰，普通会使其接一较干净，在运作时不会有电位差电位(GND)。在此建议布线方式并不是最佳方式，因不同变压器设计与布线不同，在EMI里成果也会有差别，有时必须将干扰源抑制在二次侧或初级侧，有时则必须将干扰源由Y电容或其她组件导出以得到较佳EMI，因而在此只提出一种布线设计参照，使用者在对策EMI时仍需做不同布线方式来得到最佳EMI效果。6 EMI滤波器设计概念6.1 基本概念在开关电源设计里，为了对策传导干扰大都
26、会在输入端前端加入EMI滤波器，因传导测试是由AC端来做量测，因而滤波器愈接近接受器效果愈好(让所有干扰都可经由滤波器做衰减)，而普通滤波器是经由电感与电容组合而成二阶低通滤波器。如图27所示，当干扰信号在通过接受器之前，由电感与电容构成二阶低通滤波器来衰减高频信号，由图28可知，愈大滤波电感或电容，可以让谐振频率点往前移而衰减更多高频信号。图27图286.2 耦合途径在滤波器设计上，需确认要衰减途径是差模还是共模，如图29所示为惯用EMI滤波电路，蓝色回路为差模滤波器，左边为L1与X1，右边则由L2与C1所组合而成差模低通滤波器，紫色回路则为共模滤波器，分别由上端L1与Y1，L1与Y2组合而
27、成。图296.3 实际滤波器考虑抱负滤波器很容易理解，高频干扰通过低通滤波后衰减其高频信号。但在实际应用里，电感或电容愈大，有时并不一定有较好EMI效果，甚至有时还会较差，这是为什么？因真实电感或电容，必须考虑到组件内部等效电路，像是抱负电容，其阻抗会随着频率增长而减少，但在实际电容器内部会有ESL与ESR，当频率与阻抗曲线在超过自谐振频率点(Fr)之后，其阻抗反而会因ESL效应而导致频率愈高，阻抗愈大。下面就对滤波电感与电容个别来做简介：电容：图30为一电容等效电路，为等效电感，Rs为等效串联电阻，Rp为等效并联电阻，为其电容值图30实际电容器除了电容值外，仍必须考虑其等效电感与等效电阻影响
28、，其特性曲线如下图所示，电容XL是由其内部ESL所导致，因电容是由二片金属板绕制而成，因而容值愈大，其ESL也会愈大，也因而Fr也会在愈前面，当频率过了Fr后，其阻抗会由电容性改为电感性。由图31阻抗等效图可以看出，电容器在低频时，的确是由电容所主导，频率增长而阻抗减少，但在过了Fr后，阻抗特性开始由电感(ESL)所主导，频率增长后阻抗反而会上升，在此频段电容呈现一种电感特性。图31在此举例一0.47uFX电容如下图32所示，左边为其外型与等效内部电路，右边则为等效内部阻抗与频率曲线图，量测得知其等效电感为0.45nH，等效电阻为0.05ohm，咱们可以看出其阻抗在1.09MHz之前是呈电容性
29、下降，在1.09MHz时呈现急速下降至ESR位置，并在1.09MHz后呈现电感性上升，转折频率点为与图中转折点相似(此图为示意图，详细曲线图请确认电容器厂商规格书或用LCR设备量测)。图32所有电容其实均有此频率特性曲线，像是图33为一相似类型但不同容质所得出阻抗与频率曲线，由此图形可知，不同容质会因其容质与ESL不同而有不同共振频率点与与频率曲线。同样MLCC电容，也会由于其介电系数不同而影响阻抗特性曲线，如图34所示为Z5U与NPO(相似容值)所呈现出来阻抗与频率曲线。此外，相似材质与容质，也会因不同包装影响其ESL而有不同阻抗特性曲线，如图35为相似容值与材质，但包装不同(0402/06
30、03/0805)所呈现出来阻抗与频率曲线。图34图35由上面阻抗与频率特性曲线可得知，在对策不同频段电磁干扰时，必须考虑不同材质，不同包装电容在此频段时阻抗特性为什么，并依此来选取电容器才干达到预期效果。电感：图36为电感等效电路，Rs为等效电阻，为等效电容，则为其电感量。图36与电容器相似，其频率特性曲线如图37所示，在转折频率点如下时是由电感所主导，但过了转折频率点之后，会由电感等效电容主导，当频率愈高时阻抗反而愈小。感量愈大电感，因其必须绕制更多圈数来得到其所需感量，因而更多圈数会导至更大寄生电容，转折频率点也会较为前面，而在高频时衰减能力也会较差，如图38所示为三颗相似环形铁心绕制不同
31、圈数后得出阻抗频率特性曲线，L1最多圈因而在前频段时上升最快，但也因寄生电容最大而最快被衰减。此外，电感等效电容与电感绕法圈数有很大关系，普通是圈数愈多会有愈大等效电容，但电感绕制可以用绕法不同，像是十字绕法，蝴蝶绕法等方式，用相似电感但不同绕法来得到相似感量但减少其等效电容，藉此来得到较佳EMI效果。图37图387 变压器在传导设计概念普通工程师对变压器观念，就是用铜线在铁粉心铁心上绕线，并依照不同圈数与感量，可得到不同工作周期，电流变化率与MOSFET/DIODE电压应力；但在EMI领域里，变压器设计就没有这样简朴，经验丰富工程师都懂得良好变压器设计在EMI里占有举足轻重地位，下面就一一来
32、简介：7.1 变压器基本概念普通开关电源变压器皆是使用铁粉心(Ferrite Core)制成其铁心，再由线圈绕制在铁心上而成，以图39左边所示为一线圈绕制在铁心中间时，因电流在铁心里所产生磁通方向。图39如图40与41简易反激式线路图与波形，此为一65W在230V输入时工作情形，量测变压器初级与次级侧(如图所示探棒位置)，因开关电源是靠开关做迅速开关来得到稳定输出，当MOSFET开关关断时，初级开关Drain pin会由低电压提高至高电压，同步次级二极管端也会同样由低压至高压，但初级侧电压电位差会远高于次级侧电压，由之前观念可懂得，两导体之间会有耦合电容，而此电容会因电位差而产生一电流，如图4
33、2所示，当时级侧导体电压高于次级侧时，将会有一电流由初级侧导体经由耦合电容流入次级侧(如绿色箭头)；同理，当开关导通时，初级与次级导体电压会由高电压减少至低电压，由于初级侧电位差比次级侧较大，因而这时也会有一电流由次级侧导体流入初级侧(如紫色箭头)。图40图41图42在成型变压器铁心内部会有多数铜线绕制而成，其构造图如图43所示，此为一三明治绕法变压器，紫色为变压器铁心，蓝色为初级侧铜线，棕色为二次侧铜线，绕制顺序为：最内层由MOSFETDrain pin开始由下往上绕，接着再绕二次侧，最后再接着初级线圈由上往下绕下来，达到三明治绕法（将二次侧夹在内层），但初级导体与次级导体之间因距离很接近，
34、因此在两者之间会有耦合电容产生，就如红色电容所示。由刚才波形可得知，MOSFETDrain pin与二极管A端是电压变动率最大地方，而变压器线圈另一边是静点（因直接连接电容，电压无法瞬间变化），因此内部线圈电位差是由变化量最大一端往另一端减小，就如图44紫色所标示同样，线圈愈接近MOSFETDrain pin或是二极管A端有较大电位差，而电位差变动量随着往另一端愈近而愈小。图43图44因而在实际变压器绕制上，都会建议变压器最内层是由电位差变化最大点开始起绕，让愈外层铜线其电位差愈小，如此可让最内层高压变化电场被其她相对电位较小导体包覆在里面来减低其对外辐射效应。此外，在做变压器设计时，若一开始
35、就可以考虑此因绕组电位差所导致电场效应，将可大大地减少EMI除错时间。除了介于初级与次级侧之间层间电容之外，初级侧自身与次级侧自身之间也会存在着耦合电容如图45红色所示，而在变压器线路里其等效寄生电容如图46所示，红色为介于初级与次级之间，黄色则为初级自身与次级自身。此电容量会随着圈数增长而上升，而此电容量也会引起高频电场干扰。图45图467.2 内铜因介于变压器初级侧与次级侧耦合电容会引起严重电场干扰，因而普通会在初级侧与次级侧之间做电场隔离来减少电场效应，普通使用方式是在初级与次级之间加一层内铜箔或是铜线做电场隔离，如图47所示为加了铜箔变压器，内铜箔介在初级与次级之间，由高电位差引起耦合
36、电流大部份会通过红色耦合电容至铜箔而形成另一种回路，大大地减少了耦合至另一侧耦合电容。若将此铜箔下PIN回初级侧(可以是地或是高压)，相称于初级侧产生高电位差，经由电容效应到铜箔上，再经由铜箔回到初级侧自身，形成一初级侧电流回路，协助初级侧电场电流回到初级侧而做到电场隔离；如此只剩余少部份如图48黄色耦合电容，大大地减少电容效应来达到减少电场干扰作用。图47图487.3 Y电容普通在变压器初级与次级侧，咱们都会在两端地之间放一颗Y电容，而此Y电容作用也与上述一二次侧耦合电容有关；如图49线路所示，红色Y电容介在初次级侧之间，而初级侧电压变动所导致电容效应，即耦合至次级侧电流，可以多了一种途径，
37、即经由此Y电容回到初级侧，大大减少共模途径干扰。（若没有此Y电容，则大部份耦合电流都会经由大地FG回至初级侧）也由于Y电容是予以初级次级侧一途径，因而连接位置与大小也很重要，电容Xc阻抗为1/2*f*c，代表频率愈高时，其阻抗愈低，高频信号愈可以由Y电容流入另一侧，但决定因素却是因变压器与布线不同而有不同差别，因对策有时需将干扰源留在内部较好，有时却是将其流入外部较好，因而不同案子都必须对Y电容做些调节。图497.4 漏磁变压器漏感(漏磁通)不但会导致初级侧开关Vds过高，也会对EMI产生很大影响。普通开关变压器铁粉心里都没有气隙，因而实际使用时都会因饱和问题而将铁心磨气隙，而漏磁最大地方就在
38、气隙周边，在设计时要尽量选取将气隙放在变压器内部中心处铁心，再用导体或铜箔做屏敝来减低其漏磁影响，而气隙中间漏磁通如图50虚线所示。除了气隙外，虽大部份磁通会经由导磁途径（即变压器铁心）形成一回路，但仍会有些许漏磁会在变压器外部形成漏磁通，此漏磁通如图50蓝色箭头所示，漏磁产生磁场干扰很容易会影响周边导体或组件。而减少干扰办法，一是对变压器进行磁场屏蔽，另一是尽量拉开与变压器漏磁通之间距离，或尽量减少在其周边电流导体面积。图507.5 外铜箔所谓外铜箔是在变压器铁心外围包覆一铜箔，包覆方式可延着铁心包覆或是延着线包包覆，也可以同步包覆铁心与线包（十字包法），简易如图51所示，左边为铁心包覆，中
39、间为线包包覆，右边则为十字包法，而铜箔两端接触后需相连并下地，如此不但可作电场屏蔽也可作磁场屏蔽。非导磁材料普通是无法对磁通有屏蔽作用，但铜箔是良导体，漏磁通穿过铜箔时会产生涡流，而涡流产生磁场正好可抵消变压器漏磁通，如此来抑制漏磁所导致磁场干扰。而铜箔良导体特性也会抑制电场耦合效应，就如内铜箔作用同样。图518 对策EMI传导办法在做传导测试时，可先依下面做些确认。8.1 确认测试方式一方面必须确认测试方式与否对的，不对的测试方式会挥霍诸多时间，确认地方涉及测试法规为什么测试电压为什么(不同国家有不同电压输入)待测物是系统或是仿真负载系统工作模式(与否过载或动态负载)系统周边(monitor
40、，USB或硬盘)与否会导致干扰源输出或电源线与否需下地外接设备地线与否与主电源地线有分开与否先空扫一次确认接受器误差等等；建议在开始对策之前，先确认以上测试环境与否对的，再开始做对策；笔者就有过对策一种下午后，才发现其中一项设定错误，白白挥霍一种下午时间经验。8.2 确认导体天线效应任何导体在测试EMI时都会有天线效应，因而建议使用客户量产所用线材，涉及输入线材与输出线材(不同线材会有些许差别)，而散热片普通会下地(或一参照电位)，外面有铝壳或金属导体时也要下地，避免导体因电场或磁场效应而产生干扰，成品组件组装上也需注意与否有远离干扰源，任何导体通过磁性组件周边时也要注意磁性组件漏磁通所带来干
41、扰。8.3 在150KHz10MHz频段普通是由操作频率倍频差模信号加上共模信号所构成，普通对策方式为修改EMI低通滤波器变压器耦合途径Y电容大小布线方式等来做对策，可依文章前面所述办法做确认。9 结语电磁干扰(EMI)防制在电源设计里是门很重要学问，此篇文章将EMI传导法规，量测法做简介，并解释传导某些基本概念，涉及电场干扰与磁场干扰等，并分析布线，EMI滤波器与变压器设计对EMI干扰等。所有EMI问题，其实皆因高速电压变动所产生电场干扰，或是高速电流变动所产生磁场干扰，并搭配组件或布线高频途径(涉及寄生电感与电容)所产生，因而只要懂得开关电源电场与磁场来源，并懂得各组件内部等效电路与布线途径，就可以懂得用如何方式可得到较佳EMI成果。(本文作者现任职于通嘉科技Leadtrend Technology Corp.)