實現低漏電流同時保證EMI效能的電源設計

2022-09-28 06:06:07 字數 2357 閱讀 1424

在ac-dc開關電源中,漏電流最主要的**是y類電容。通過使用變壓器遮蔽繞組或在輸入級加入乙個扼流圈,可以顯著地降低y電容的數值或在某些場合去除它,從而降低漏電流並且仍滿足有一定裕量的傳導emi限制。實現這些目標的解決方案會在本文得到分析。

大多數ad/dc電源都在高壓的交流輸入端與低壓的直流輸出端之間實現了隔離。諸如ul1950之類的安全標準會同時指定了絕緣強度(例如3千伏vac耐衝電壓)和最大漏電流。漏電流是指當裝置的可接觸部分以一定的阻抗連線到保護地時流經初級與次級絕緣屏障之間的電流。

漏電流標準確保了人員的安全,防止當使用者碰觸到輸出端或電源外殼時其身體成為電流洩放至大地的路徑的一部分。

允許流過的最大漏電流基於應用場合有著具體的分類。過去,僅對諸如醫療裝置(患者極有可能或確定必須接觸裝置的帶電部分)等特殊應用場合有低的漏電流要求。在那些應用場合中的裝置不得不滿足比it裝置嚴格得多的要求。

針對醫療和it裝置的漏電流限制規範分別是iec60601-1、iec60950。

但是,如今還有其它理由需要去進行低漏電設計。例如,現在很多移動**都有金屬的外殼,與其配套的充電器必須滿足手持裝置製造商們制訂的比現行安全標準要低的漏電流規範。這是為了防止消費者(特別是在像充滿蒸汽的浴室之類的潮濕環境中)拿著正在充電的手機時有觸電感。

與**裝置(無繩**、**答錄機、dsl modem等)配套的電源通常必須有很低的工頻洩漏以避免可聽得見的嗡嗡聲耦合到**線路中。進行低漏電設計還可潛在地節省成本,例如減小電源中必需的emi濾波元件的尺寸和/或數量。

追根溯源:漏電流究竟從何而來?

在ac-dc開關電源中,漏電流最主要的**是y類電容。y類電容是經過安全機構認證(外表常為橙色或藍色)、可以用於將絕緣屏障橋接起來的電容(參見圖1a),為位移電流(產生於開關過程)提供返回路徑以防止emi。任何能流出電源的高頻電流(通過許多我們將在後面講到的途徑)都將通過交流進線返回,並產生傳導emi。

在圖1a中,y電容避免了許多emi電流,使得其中絕大多數都侷限在電源內部,而在圖1b中,這些emi電流必定全部流出到電源之外。

一般而言,電源中的y電容的容量值越大,電源產生的emi就越小,與此相反,流過絕緣屏障的漏電流則越大。

公式1可以用來估算在不超出安全界限的情況下允許使用的y電容最大值。對於乙個兩線(沒有保護地)、帶浮動輸出的通用輸入電源,向下捨入到標準數值就得到y電容最大值大約為2.2nf。

而對於僅適用於100/115vac的設計,此數值會提公升到3.3nf。

僅是簡單地將y電容從電路中移除或減小其數值一般情況下不太可行,因為這樣做會顯著增加emi(見圖2b)。而在電路中增加共模扼流圈或其它濾波元件又會增加成本。因此,我們必須將注意力集中到如何降低emi電流上。

降低共模emi電流的技巧

雖然詳盡地分析emi電流所有的**已經超出了本文的範圍,但圖3還是給出了被初級與次級開關波形驅動的emi 電流典型路徑概覽。目前已有一些減小共模emi電流的方法。儘管在變壓器繞線層之間使用帶狀物增加繞線層間距離可以減小層間電容,但單獨使用這一方法只能很有限地減小emi電流。

長期以來在工頻變壓器中一直應用遮蔽繞組來降低雜訊與耦合,在開關變壓器中這一方法同樣有效。如圖5中emi圖形所示,在開關變壓器中使用遮蔽繞組是降低共模emi電流最有效的方法,而且對電源總體成本的影響最小。

以下是在3w ac-dc電源中使用變壓器遮蔽繞組的例子:

圖4是乙個5.1v、600ma電源的電路圖,它基於power integrations公司tinyswitch-ii晶元,具有乙個簡單的雙繞組變壓器。由於這款晶元可以自供電,所以變壓器中就不需要輔助繞組。

此設計是蜂窩**、pda或數位相機充電器的典型電路。

tinyswitch-ii晶元通過調製其開關頻率(稱為頻率抖動)來降低emi,但如果沒有變壓器中的遮蔽繞組,此電路就需要乙個2.2nf的y電容以滿足emi要求(參見圖2a)。移除y電容後引起的emi如圖2b所示,這樣的結果顯然讓人無法接受。

在變壓器初級與次級繞組之間加入乙個單匝箔遮蔽繞組,使得測量到的emi下降了大約10db(見圖5a)。用乙個額外的遮蔽繞組進行補充,可進一步下降10db(見圖5b)。這樣僅使用乙個220pf的y電容就可獲得乙個有10db餘量的好方案(圖5c),將漏電流從183ua降到18ua。

不使用遮蔽繞組的電路可獲得幾乎同樣的emi效能(圖6a),但必須在輸入級(圖6b)加入乙個扼流圈l2(除了已有的差模濾波電感l1之外)。根據每個應用電路的不同需求,可以給變壓器再加入第三個遮蔽繞組,從而進一步降低y電容的數值。

由於遮蔽繞組與初級側開關電路和次級側整流電路之間的相互作用,使得共模位移電流得以削弱或徹底抑制,讓詳盡的分析變得不再必要。但是,每乙個設計的需求各不相同,這是由諸如pcb板上的元件布局、電路板及磁性元件和機殼金屬板之間的接近程度、變壓器的尺寸以及伏-秒率、匝數範圍、匝數比等因素決定的。因此,在優化每乙個設計的遮蔽繞組時試驗與失誤是在所難免的。

即便如此,關於遮蔽繞組布局的基本規律一貫以來一般還是適用的。

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