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安规Y电容器在电源电路中的应用

文章出处:东莞市瓷谷电子科技有限公司 所属分类: 知识分享

    Y电容,是我们开关电源工程师每天都要接触到的一个非常关键的元器件,它对EMI的贡献是相当的大的,但是它是一个较难把控的元器件,原理上并没有那么直观易懂,在EMI传播路径中需要联系到很多的寄生参数才能够去分析。

    我们都知道开关电源变压器的原副边都跨接了一个Y电容,很多时候这个Y电容必须要,没了它EMI就过不了。此Y电容的摆放位有多种方法,到底怎么接效果才是最好的?

    在做EMI实验时,往往Y电容对共模干扰的高频段影响比较大,所以我们首先要找到开关电源中的高频干扰源。最常见最熟悉的高频干扰源有两个,以反激为例,一是原边的开关MOS,二是副边的整流二极管,如下图


    高频振铃1:MOS管关断时的振荡,高频振铃2:副边整流二极管关断时的振荡。
    首先分析一下高频干扰1(原边开关MOS管的干扰),干扰源为Q1,如下图


    在分析之前说明一下,输出的电解电容在高频的情况下内阻极低可视为两端短路。
    MOS管Q1的振荡,电压为上正下负,噪声从D出发。
    第一条通路是从D→Cm→散热器→Ce→大地PE→N→输入电容地→回到S极
    第二条通路是从D→Cm→散热器→Ce→大地PE→L→输入电容正→输入电容地→回到S极
    第三条通路是从D→变压器→Ctx→Cj→Cd→散热器→Ce→大地PE→N→输入电容地→回到S极
    第四条通路是从D→变压器→Ctx→Cj→Cd→散热器→Ce→大地PE→L→输入电容正→输入电容地→回到S极
    注意:路径只分析了到达电源外部流经大地的路径,内部回流的没画。
    下面我们再分析一下高频干扰2(副边整流二极管引起的),干扰源为D1,如下图


    整流管D1的振荡,电压为右正左负,噪声从Cj出发。
    第一条通路是从Cj→Cd→散热器→Ce→大地PE→N→输入电容地→输入电容正→Ctx→回到Cj的负端。
    第二条通路是从Cj→Cd→散热器→Ce→大地PE→L→输入电容正→Ctx→回到Cj的负端。
    注意:路径只分析了到达电源外部的路径。
    改善EMI的方法
    一般改善EMI有两个常见方法,1、降低干扰源的能量,2、切断或者改变干扰能量的传播路径。
    通过添加Y电容的方式来改变EMI的传播路径如下图。


    Y电容改变EMI传播路径的常见方式有4中,如上图
    位置1:输入电容高压→输出正;
    位置2:输入电容高压→输出地;
    位置3:输入电容地→输出地;
    位置4:输入电容地→输出正。
    由于输出的电解电容在高频的情况下内阻极低可视为两端短路。
    如果只对于EMI来讲,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电容后的作用:干扰源原本是从副边D1右边→散热→..经过一系列路径..→Ctx回到D1左边的,现在由于D1右边对Ctx的左边提供了一个阻抗很低的回路,所以大部分干扰路径变成,D1右→Cy1→Ctx→D1左,让大部分的EMI干扰不经过散热器和大地直接回到Ctx回到D1。
    位置1、2的Y电容有效的改变了由D1产生的干扰的流动路径。
    位置3、4加Y电容后的作用:位置3、4的作用是双重的,作用1,原本Q1的干扰源其中有一条传播路径为,Q1的D极→TX1→Ctx→D1→Cd→..经过一系列路径..→Q1的S极,此时由于在D1右到Q1的S极提供了一条低阻抗回路,此条路径的干扰到D1后大部分直接回到S极;作用2,D1的原边干扰回路是副边D1右边→散热→..经过一系列路径..→Ctx回到D1左边的,此时由于D1右边到原边电解地提供了更低阻抗的回路,大部分干扰直接从D1到原边电解地→原边电解正→Ctx→回到D1左边。
    位置3、4的Y电容改变了Q1干扰源的部分路径,同时改变了D1干扰源的路径。
    四个位置对EMI的作用都是不错的,但在实际layout的时候放在位置3是最方便的,所以应用的人非常多。
    当然改善EMI还有在散热器上下手的如下图


    1、散热器直接接地
    2、散热器与地之间接Y电容
    这样通过MOS管散热器的EMI直接回到了C1的地端,这样的方式效果也是非常明显的,分析方法与上面相同。
    在Layout和EMI的结合最终大部分人选择位置3,但最好CY电容原边接在原边的静地和副边的静地上,也就是C1和C2的负极点如下图


    比如原边接在离输入电解远的位置会有什么后果呢?
    比如我们在做ESD实验时,这时ESD会有高频电流从原边通过Y电容传输到副边,这时如果不接母线地,这个高频电流会通过线路上的寄生电感产生高频尖峰电压有可能损坏其他元器件,副边当然也是一样。
    最好的位置是尽量让Y电容接到原边C1的地与副边C2的地,如下图


    当然也要考虑实际布板的情况,有时候这样连线根本不好连,这时候只能将就,但记得把地线要加粗一点,减少线路上的寄生电感。

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