反激变换器时频域分析方法

描述

反激电源传导分析模型

案例:如图1所示,5V2A充电器因PCB布线不同造成传导结果6dB以上差异。

PCB布线

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图1 PN8370 5V2A充电器PCB布线

由该案例可引出反激电源传导定量分析的关键因素:

  • 干扰源: 开关节点(如PN8370的SW脚);
  • 路径: 分布电容(如SW脚至输入整流回路),容量与金属极板面积成正比、距离成反比;
  • 形式: 位移电流,由安培-麦克斯韦全电流定理可知变化电场可产生位移电流。

忽略PCB布线引起的分布电容,采用图2所示变压器结构,反激电源的传导分析模型如图3所示。

PCB布线

图2 变压器结构

PCB布线

图3 反激电源EMI传导分析模型(无散热器)

由反激电源EMI传导分析模型可知:

  • Q1、D2、D3为开关干扰源,dV/dt、di/dt变化显著;
  • 变压器寄生电容Csp、Csa、Cssh、Csc为共模噪声提供通路;由于屏蔽绕组及磁芯接初级参考地,寄生电容Cpc、Cpsh、Cash已转化为差模干扰回路,EMI影响忽略;
  • 由于干扰源(Q1、D2、D3)流过寄生电容(Csp、Csa、Cssh、Csc)的电流方向不一致,可调整变压器结构使得合成共模电流最小。

变压器优化设计方法

相比差模噪声,由于共模噪声频段宽(1M-1GHz)且滤波器衰减作用有限,因此**反激变压器EMI设计以减小共模噪声为主。**反激电源的共模噪声分析模型如图4所示,根据示波器测量的平台电压幅值优化变压器结构及屏蔽圈数,直至干扰平台电压幅值在2V以内。

PCB布线

图4 反激电源共模噪声分析模型

我们以PN8370 12V1A适配器为例说明共模噪声与传导的关系,变压器初级:0.21mm102Ts;屏蔽:0.21mm12Ts;辅助:0.21mm12Ts;次级:0.5mm10Ts。共模噪声与传导测试结果如图5所示。

PCB布线

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图5 共模噪声与传导测试结果1

屏蔽圈数由12Ts调整至15Ts,共模噪声与传导测试结果如图6所示。

PCB布线

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图6 共模噪声与传导测试结果2

由实验结果可见,共模噪声与传导有着密切关系,根据工程经验:合理PCB布线,共模平台干扰电压控制在2V以内,为传导达标的充分条件,辐射达标的必要条件。

EMI滤波器选取

A. 输入滤波器选取如图7所示:

PCB布线

(a)适应于无接地要求18W以内反激电源

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(b)适应于有接地要求18W以内反激电源

PCB布线

(c)适应于18W以上反激电源

图7 典型输入EMI滤波器

B. Y电容的选取:

  • Y电容容量远大于变压器寄生电容,可将流过变压器共模电流旁路为差模电流,改善EMI;
  • Y电容容量会影响辐射及漏电流,需满足EMI及安规要求。
  • Y电容回路为辐射干扰源之一,应尽量缩短,并与初级信号回路分开,以免EMS能力降低。
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