安規(guī)Y電容器在電源電路中的應用
Y電容,是我們開關電源工程師每天都要接觸到的一個非常關鍵的元器件,它對EMI的貢獻是相當?shù)拇蟮?,但是它是一個較難把控的元器件,原理上并沒有那么直觀易懂,在EMI傳播路徑中需要聯(lián)系到很多的寄生參數(shù)才能夠去分析。
我們都知道開關電源變壓器的原副邊都跨接了一個Y電容,很多時候這個Y電容必須要,沒了它EMI就過不了。此Y電容的擺放位有多種方法,到底怎么接效果才是最好的?
在做EMI實驗時,往往Y電容對共模干擾的高頻段影響比較大,所以我們首先要找到開關電源中的高頻干擾源。最常見最熟悉的高頻干擾源有兩個,以反激為例,一是原邊的開關MOS,二是副邊的整流二極管,如下圖
高頻振鈴1:MOS管關斷時的振蕩,高頻振鈴2:副邊整流二極管關斷時的振蕩。
首先分析一下高頻干擾1(原邊開關MOS管的干擾),干擾源為Q1,如下圖
在分析之前說明一下,輸出的電解電容在高頻的情況下內(nèi)阻極低可視為兩端短路。
MOS管Q1的振蕩,電壓為上正下負,噪聲從D出發(fā)。
第一條通路是從D→Cm→散熱器→Ce→大地PE→N→輸入電容地→回到S極
第二條通路是從D→Cm→散熱器→Ce→大地PE→L→輸入電容正→輸入電容地→回到S極
第三條通路是從D→變壓器→Ctx→Cj→Cd→散熱器→Ce→大地PE→N→輸入電容地→回到S極
第四條通路是從D→變壓器→Ctx→Cj→Cd→散熱器→Ce→大地PE→L→輸入電容正→輸入電容地→回到S極
注意:路徑只分析了到達電源外部流經(jīng)大地的路徑,內(nèi)部回流的沒畫。
下面我們再分析一下高頻干擾2(副邊整流二極管引起的),干擾源為D1,如下圖
整流管D1的振蕩,電壓為右正左負,噪聲從Cj出發(fā)。
第一條通路是從Cj→Cd→散熱器→Ce→大地PE→N→輸入電容地→輸入電容正→Ctx→回到Cj的負端。
第二條通路是從Cj→Cd→散熱器→Ce→大地PE→L→輸入電容正→Ctx→回到Cj的負端。
注意:路徑只分析了到達電源外部的路徑。
改善EMI的方法
一般改善EMI有兩個常見方法,1、降低干擾源的能量,2、切斷或者改變干擾能量的傳播路徑。
通過添加Y電容的方式來改變EMI的傳播路徑如下圖。
Y電容改變EMI傳播路徑的常見方式有4中,如上圖
位置1:輸入電容高壓→輸出正;
位置2:輸入電容高壓→輸出地;
位置3:輸入電容地→輸出地;
位置4:輸入電容地→輸出正。
由于輸出的電解電容在高頻的情況下內(nèi)阻極低可視為兩端短路。
如果只對于EMI來講,位置1、2的效果相同,位置3、4的效果相同。
位置1、2加了Y電容后的作用:干擾源原本是從副邊D1右邊→散熱→..經(jīng)過一系列路徑..→Ctx回到D1左邊的,現(xiàn)在由于D1右邊對Ctx的左邊提供了一個阻抗很低的回路,所以大部分干擾路徑變成,D1右→Cy1→Ctx→D1左,讓大部分的EMI干擾不經(jīng)過散熱器和大地直接回到Ctx回到D1。
位置1、2的Y電容有效的改變了由D1產(chǎn)生的干擾的流動路徑。
位置3、4加Y電容后的作用:位置3、4的作用是雙重的,作用1,原本Q1的干擾源其中有一條傳播路徑為,Q1的D極→TX1→Ctx→D1→Cd→..經(jīng)過一系列路徑..→Q1的S極,此時由于在D1右到Q1的S極提供了一條低阻抗回路,此條路徑的干擾到D1后大部分直接回到S極;作用2,D1的原邊干擾回路是副邊D1右邊→散熱→..經(jīng)過一系列路徑..→Ctx回到D1左邊的,此時由于D1右邊到原邊電解地提供了更低阻抗的回路,大部分干擾直接從D1到原邊電解地→原邊電解正→Ctx→回到D1左邊。
位置3、4的Y電容改變了Q1干擾源的部分路徑,同時改變了D1干擾源的路徑。
四個位置對EMI的作用都是不錯的,但在實際layout的時候放在位置3是最方便的,所以應用的人非常多。
當然改善EMI還有在散熱器上下手的如下圖
1、散熱器直接接地
2、散熱器與地之間接Y電容
這樣通過MOS管散熱器的EMI直接回到了C1的地端,這樣的方式效果也是非常明顯的,分析方法與上面相同。
在Layout和EMI的結(jié)合最終大部分人選擇位置3,但最好CY電容原邊接在原邊的靜地和副邊的靜地上,也就是C1和C2的負極點如下圖
比如原邊接在離輸入電解遠的位置會有什么后果呢?
比如我們在做ESD實驗時,這時ESD會有高頻電流從原邊通過Y電容傳輸?shù)礁边叄@時如果不接母線地,這個高頻電流會通過線路上的寄生電感產(chǎn)生高頻尖峰電壓有可能損壞其他元器件,副邊當然也是一樣。
最好的位置是盡量讓Y電容接到原邊C1的地與副邊C2的地,如下圖
當然也要考慮實際布板的情況,有時候這樣連線根本不好連,這時候只能將就,但記得把地線要加粗一點,減少線路上的寄生電感。