实现低漏电流并保证EMI性能电源设计.pdfVIP

实现低漏电流并保证EMI 性能的电源设计 关键词：Low Leakage Current，低漏电流，Y class capacitor ，Y-capacitor Y 电容器，shield windings，屏蔽绕组， TinySwitch-II 在AC-DC 开关电源中，漏电流最主要的来源是Y 类电容器。透过使用变压器屏蔽绕组或在输入级加入一个扼流圈， 可以显著地降低Y 电容器的数值或在某些场合去除它，从而降低漏电流并且仍满足有一定裕量的传导EMI 限制。本 文分析了实现这些目标的解决方案。 大多数AD/DC 电源都在高压的交流输入端与低压的直流输出端之间实现了隔离。诸如UL1950 之类的安全标准会 同时指定了绝缘强度(例如 3,000VAC 耐冲电压)和最大漏电流。漏电流是指当设备的可接触部份以一定的阻抗连接 到保护地时流经初级与次级绝缘屏障之间的电流。漏电流标准确保了人员的安全，防止当使用者碰触到输出端或电 源外壳时其身体成为电流泄放至大地的路径的一部份。 允许流过的最大漏电流基于应用场合有着具体的分类。过去，仅对诸如医疗设备(患者极有可能或确定必须接触设 备的带电部份)等特殊应用场合有低的漏电流要求。在那些应用场合中的设备不得不满足比IT 设备严格得多的要求。 针对医疗和IT 设备的漏电流限制规格分别是IEC60601-1、IEC60950 。 但是，如今还有其它理由需要去进行低漏电设计。例如，现在很多移动电话都有金属的外壳，与其配套的充电器必 须满足手持设备制造商们制订的比现行安全标准要低的漏电流规格。这是为了防止消费者(特别是在像充满蒸汽的 浴室之类的潮湿环境中)拿着正充电的手机时有触电感。与电话设备(无线电话、电话录音机、DSL modem 等)配套 的电源通常必须有很低的工频泄漏以避免可听得见的嗡嗡声耦合到电话线路中。进行低漏电设计还可潜在地节省成 本，例如减少电源中必需的EMI 滤波组件的尺寸和/或数量。 漏电流从何而来？ 在AC-DC 开关电源中，漏电流最主要的来源是Y 类电容器。Y 类电容器是经过安全机构认证(外表常为橙色或蓝色) 、 可以用于将绝缘屏障桥接起来的电容器(参见图1a)，为位移电流(产生于开关过程)提供返回路径以防止EMI 。任何 能流出电源的高频电流(透过许多我们将在后面讲到的途径)都将透过交流进线返回，并产生传导EMI 。在图1a 中， Y 电容器避免了许多EMI 电流，使得其中绝大多数都局限在电源内部，而在图1b 中，这些EMI 电流必定全部流出 到电源之外。 图 1 EMI Current flow Path 一般而言，电源中的Y 电容器的容量值越大，电源产生的EMI 就越小，与此相反，流过绝缘屏障的漏电流则越大。 公式1 可以用来估算在不超出安全界限的情况下允许使用的Y 电容器最大值。对于一个两线(没有保护地) 、带浮动 输出的通用输入电源，向下舍入到标准数值就得到Y 电容器最大值约2.2nF 。而对于仅适用于100/115VAC 的设计， 此数值会提升到3.3nF。 公式 1 Y 电容最大值计算 仅是简单地将Y 电容器从电路中移除或减少其数值一般情况下不太可行，因为这样做会显著增加EMI(见图2b) 。而 在电路中增加共模扼流圈或其它滤波组件又会增加成本。因此，我们必须将注意力集中到如何降低EMI 电流上。 图 2 EMI 测试结果 降低共模EMI 电流的技巧 虽然详尽地分析EMI 电流所有的来源已经超出了本文的范围，但图3 还是描述了被初级与次级开关波形驱动的EMI 电流典型路径概览。目前已有一些减少共模EMI 电流的方法。尽管在变压器绕线层之间使用带状物增加绕线层间距 离可以减少层间电容器，但单独使用这一方法只能很有限地减少EMI 电流。长期以来在工频变压器中一直应用屏蔽 绕组来降低噪音与耦合，在开关变压器中这一方法同样有效。如图5 中EMI 图形所示，在开关变压器中