EMI及无Y电容手机充电器的设计-百合电子工作室

3 EMI 辐射干扰
3.1 电场和磁场发射

　　辐射干扰的测试在专门的屏蔽室中进行，待测试的设备放在转台上，天线分别放在水平和垂直的位置上下移动扫描，检测到信号送到接收机进行分析。

图24：辐射干扰测试

　　辐射干扰的测试包括电场发射和磁场发射，电场发射由du/dt产生，磁场发射由di/dt产生。注意：空间电容是电场发射的通道，共模电流可以产生相当大的电场发射。

图25：电场发射

　　初级绕组电压变化的幅值大，对于电场发射起主导作用。磁芯也是一个电场发射源。在系统的PCB底层铺铜皮或额处加一块铜皮或单面板，可以有效的减小电场发射和共模电流。

图26：减小电场发射

　　高di/dt 的环路通过环路的寄生电感产生磁场发射，次级侧的电流变化幅值大，对于磁场发射的起主导作用。磁场发射形成的方向见图27所示，方向符合右手定则。

　　高di/dt环路的寄生电感随环路面积增大而增大，因此磁场发射对于PCB的设计非常关键。次级侧的电流环面积要尽量的小，布线要尽量的短粗。

图27：磁场发射

　　变压器的杂散磁场也是一个磁场发射源，其主要由变压器的气隙产生。E型磁芯在两侧开气隙时杂散磁场大，在中心柱开气隙时杂散的磁场小。在变压器的最外面包裹铜皮，铜皮两端短接，用导线连接到冷点，可以减小杂散的磁场。因为杂散磁场在铜皮中产生涡流，涡流反过来产生磁场阻碍变压器杂散磁通的外泄。输出棒状及鼓状的差模电感如同一个天线产生大的磁场发射。使用前述的相关的缓冲吸引电路可以减小相应的磁场发射。

图2８：输出线发射

　　注意：手机充电器要带长的输出线（1.8m）进行测试，长的输出导线也如同一个天线，并将共模电流放大，从而形成较大的共模电场辐射，这种辐射只有通过上面变压器的结构进行抑止，在没有频率拌动或频率调制的系统中，还得加输出共模电感。才能有效的减小在30~50M间的电场发射。

　　需要说明的是：传导和辐射及差模和共模电流间可以相互转换，具体的理论相当复杂，远远超出作者的知识范围，特表歉意。

3.2 共模电感设计

　　共模电感的两个绕组分别与输出的二根线串联，注意到当输出电流在每个绕组流过时，它们在磁芯中形成的磁通方向是相反的，可以相互的抵消，平衡的条件下磁芯中的磁通为0，因此共模电感不会因为输出的负载电流产生饱和。当同方向的共模电流在两个绕组中流过时，其在磁芯中形成的磁通方向是相同，阻抗增加，从而衰减共模电流信号。

图 29：共模电感

设计过程：

① 选择磁芯材料

　　铁氧体是一个较好的具有成本优势的材料。

② 设定电感的阻抗

　　对于一个给定的要求衰减的频率，定义此频率下共模电感的感抗为50~100?，即至少50%的衰减，因此有：

Z = ωL

③ 选择磁芯的形状的和尺寸

　　成本低漏感小的环形磁芯非常适合于共模电感，但是这种形状不容易实现机械化绕制，一般用手工绕制。磁环尺寸的大小选取有一定的随意性，通常基于PCB的尺寸选取合适的磁芯。为了减小共模电感的寄生电容，共模电感通常只用单层的线圈。若单层绕制时磁芯无法容纳所有的线圈，则选用大一号尺寸的磁环。当然也可以基于磁芯的数据手册由LI的乘积选取。

④ 计算线圈的匝数

　　由磁芯的电感系数AL计算共模电感的圈数：

N = (L×10⁶A_L)^0.5

⑤ 计算导线的线径

　　导线允许通过的电流密度选取为：400~800A/cm²，由此可以得到要求的线径。

3.3 频率抖动或调制

　　事实上，噪声是基于特定的频带和步长（传导是9KHz）来检测的，当开关频率固定时，基于开关频率的电流变化和电压变化的高频高次谐波如2次，3次，4次，…… 会在一个特定的频率点处叠加，这样以此频率点为中心的一个窄带内噪声的值就较高。芯片有频率抖动或调制时，开关的频率不是固定的，而是在一定的范围内变化，频率变化的范围通常以名义的开关频率为中心上下变化不大于4KHz，以免影响到系统的正常工作。如基频即工作频率变化范围为±4KHz，则2次谐波频率变化的范围为±8KHz，3次谐波频率变化的范围为±12KHz ……，这样对于一个特定的频率点噪声在更宽的频带内分布，因此噪声的值降低。频率越高，特定的频率点频带分布越大，噪声值也就越低。频率抖动或调制的原理见图30所示。

　　从图31至图34可以看到：没有频率抖动或调制时谐波分布窄，噪声值在谐波频率点处较高。有频率抖动或调制时，谐波值平滑而且较小，从图29至图32还可以看出：频率抖动或调制对准峰值降低不大，而对平均值降低十分时显。在测试RE时，由于频率抖动或调制的作用，即使从波形看某一频点似乎没有余量，但接收机在读点时很难抓取到幅值最大点，因此读点时读取值仍有范围内有一定余量。