電源設(shè)計(jì)小貼士 40：非隔離式電源的共模電流

非隔離式電源的共模電流可能成為一個(gè)電磁干擾 (EMI) 源，您是否曾經(jīng)消除過(guò)它呢？在一些高壓電源中，例如：LED 燈泡所使用的電源，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)您無(wú)法消除它們。經(jīng)仔細(xì)查看，發(fā)現(xiàn)非隔離式電源與隔離式電源其實(shí)并沒(méi)有什么兩樣。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)接地寄生電容，產(chǎn)生共模電流。

圖 1 是一個(gè) LED 電源的示意圖，其顯示了該降壓調(diào)節(jié)器中共模電流產(chǎn)生的主要原因。原因就是開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)接地電容。令人驚訝的是，如此小的一點(diǎn)電容，仍會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。CISPR B 類(lèi)（適用于住宅設(shè)備）輻射規(guī)定允許 1 MHz 下 46 dBuV (200 uV) 信號(hào)的 50 電源阻抗。這也就是說(shuō)，僅允許 4 uA 的電流。如果轉(zhuǎn)換器在 100 kHz 下對(duì) Q2 漏極的 200 Vpk-pk 方波進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，則基準(zhǔn)電壓約為 120 伏峰值。由于諧波隨頻率降低而成比例下降，因此 1MHz 下會(huì)有約 9 Vrms。我們可以利用它來(lái)計(jì)算允許電容，得到約 0.1pF，即 100 fF（相當(dāng)于 1 MHz 下 2 兆歐阻抗），其為這個(gè)節(jié)點(diǎn)完全可能的電容量。另外，還存在電路接地其余部分的電容，其為共模電流提供了一條返回通路，如圖 1 所示 C_Stray2。

圖 1 僅 100 fF 的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電容卻產(chǎn)生了 EMI 問(wèn)題[!--empirenews.page--]

在 LED 燈應(yīng)用中，沒(méi)有基底連接，只有熱和絕緣，因此共模 EMI 濾波便成為問(wèn)題。這是因?yàn)殡娐窞楦咦杩?。它可以由一個(gè)與 2 兆歐容抗串聯(lián)的 9 Vrms 電壓源表示（如圖 2 所示），無(wú)法增加阻抗來(lái)減少電流。要想降低 1MHz 下的輻射，您需要降低電壓，或者減小寄生電容。降低電壓共有兩種辦法：顫動(dòng)調(diào)諧或者上升時(shí)間控制。顫動(dòng)調(diào)諧通過(guò)改變電源的工作頻率來(lái)擴(kuò)展頻譜范圍。

圖 2 100 fF 可導(dǎo)致超出 EMI 限制

要討論顫動(dòng)調(diào)諧，首先請(qǐng)閱讀《電源設(shè)計(jì)小貼士 8》（2009 年 2 月）。上升時(shí)間控制通過(guò)降低電源的開(kāi)關(guān)速度來(lái)限制高頻譜，最適合解決 10MHz 以上的 EMI 問(wèn)題。減小開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的寄生電容很容易，只需最小化蝕刻面積或者使用屏蔽材料。該節(jié)點(diǎn)到整流電源線路的電容，不會(huì)形成共模電流，因此您可以將導(dǎo)線埋入多層型印制線路板 (PWB)，從而減少大量不需要的電容。但是，您無(wú)法徹底消除它，因?yàn)?FET 漏極和電感仍然余留有電容。圖 2 給出了一幅曲線圖，引導(dǎo)您逐步計(jì)算 EMI 頻譜。第一步是計(jì)算電壓波形（紅色）的頻譜。通過(guò)計(jì)算漏電壓波形的傅里葉級(jí)數(shù)，或者只需計(jì)算基本分量然后對(duì)包線取近似值（1除以調(diào)和數(shù)和基本分量），便可完成上述計(jì)算。在高頻完成進(jìn)一步的調(diào)節(jié)（1/ （pi *上升時(shí)間）），如7MHz以上頻率所示。下一步，用該電壓除以寄生電容的電抗。有趣的是，低頻輻射為扁平穩(wěn)定狀態(tài)，直到頻率穿過(guò)由上升時(shí)間設(shè)定的極點(diǎn)為止。最后，CISPR B 類(lèi)規(guī)定也被繪制成圖。僅 0.1 pF 的寄生電容和一個(gè)高壓輸入，輻射就已接近于規(guī)定值。

EMI 問(wèn)題也存在于更高的頻率，原因是輸入線路傳輸共振引起的電路共振和輻射。共模濾波可以幫助解決這些問(wèn)題，因?yàn)樵?C_Stray2存在大量的電容。例如，如果電容大小為 20 pF，則其在 5MHz 下阻抗低于 2 K-Ohms。我們可以在電路和50 Ohm 測(cè)試電阻器之間增加阻抗足夠高的共模電感，以降低測(cè)得輻射。更高頻率時(shí)，也是如此。

總之，使用高壓、非隔離式電源時(shí)，共模電流會(huì)使 EMI 輻射超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在一些雙線式設(shè)計(jì)中（無(wú)基底連接），解決這個(gè)問(wèn)題尤其困難，因?yàn)橛性S多高阻抗被包含在內(nèi)。解決這個(gè)問(wèn)題的最佳方法是最小化寄生電容，并對(duì)開(kāi)關(guān)頻率實(shí)施高頻脈動(dòng)。頻率更高時(shí)，電路其余部分的分散電容的阻抗變小，因此共模電感可以同時(shí)降低輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射。

下次，我們將討論 DDR 內(nèi)存的電源，敬請(qǐng)期待。