Трансформаторные конструкции, обеспечивающие низкий уровень электромагнитных помех с помощью выпрямителей

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье рассматривается влияние внутренней конструкции трансформатора на синфазные электромагнитные помехи (ЭМП). Мы проанализируем, как проектировать схему выпрямителя на стороне низкого и высокого напряжения, а также результаты испытаний на ЭМП схемы выпрямителя на стороне низкого напряжения с использованием соответствующей конструкции трансформатора.

Введение

Многие схемы адаптеров и зарядных устройств ограничивают значение емкости Y‑конденсатора в фильтре электромагнитных помех (ЭМП) для уменьшения тока утечки, что, в свою очередь, улучшает, например, чувствительность и эффективность сенсорных экранов. Меньший номинал Y‑конденсатора обычно побуждает использовать в ЭМП-фильтре синфазные дроссели большего размера и с более высокими потерями, из-за чего увеличивается стоимость, размер, вес адаптера и снижается его эффективность.

Схема высокочастотного адаптера на основе нитрида галлия (GaN) с обратноходовым преобразователем и контроллером с активным ограничением перенапряжения обеспечивает низкий уровень синфазных электромагнитных помех и соответствует стандартам ЭМП даже при использовании Y‑конденсатора малой емкости. Мы рассмотрим внутреннюю конструкцию трансформатора и ее влияние на синфазные ЭМП. Мы также проанализируем, как проектировать схему выпрямителя на стороне низкого и высокого напряжения. Наконец, будут рассмотрены результаты испытаний на электромагнитные помехи схемы выпрямителя на стороне низкого напряжения с использованием соответствующей конструкции трансформатора.

 

Источники и причины появления синфазных ЭМП

Синфазные электромагнитные помехи принимают форму высокочастотного тока между клеммами линии переменного тока (L и N) и землей. Кабели питания переменного тока и силовые выходные кабели передают синфазные электромагнитные помехи, генерируемые источником питания. Амплитуду синфазного шума необходимо уменьшить в соответствии с требованиями стандартов на ЭМП.

Как видно из рис, 1, синфазные токи могут поступать непосредственно из цепи питания в землю через паразитную емкость, связанную с каждым коммутируемым узлом. Синфазные токи также текут с первичной стороны трансформатора во вторичную через паразитную емкость между обмотками. Параметры синфазного режима в очень большой мере зависят от топологии печатной платы и механической конструкции, а также от внутренней конструкции трансформатора.

Пути протекания синфазного тока

Рис. 1. Пути протекания синфазного тока

 

Уменьшение синфазных электромагнитных помех

Известны три основных способа подавления синфазного шума:

  • экранировать источники этого шума;
  • сбалансировать цепь питания; при этом особенное внимание уделить обмоткам трансформатора;
  • воспользоваться фильтрами, ограничивающими синфазный шум.

Существуют два возможных варианта расположения слоев внутренней обмотки трансформатора, позволяющих уменьшить величину синфазного шума. В одном из них используется синхронный выпрямитель (СВ) на стороне высокого напряжения, а в другом – синхронный выпрямитель на стороне низкого напряжения.

 

Конструкция трансформатора и ее влияние на синфазные ЭМП

На рис. 2 показано поперечное сечение типичного обратноходового трансформатора с чередующимися слоями. Из рис. 3 видно, как этот трансформатор подключается в схеме к силовому обратноходовому каскаду с активным ограничением перенапряжения при использовании СВ на сторонах низкого и высокого напряжения. На рис. также показано наведенное напряжение на обоих концах каждого слоя обмотки.

Типичный обратноходовой трансформатор с чередованием без экрана или без подавления синфазного шума

Рис. 2. Типичный обратноходовой трансформатор с чередованием без экрана или без подавления синфазного шума

Подключение обратноходовой схемы с активным ограничением перенапряжения к трансформатору и напряжения обмотки при использовании СВ на стороне

Рис. 3. Подключение обратноходовой схемы с активным ограничением перенапряжения к трансформатору и напряжения обмотки при использовании СВ на стороне:
а) низкого напряжения;
б) высокого напряжения

Единственное существенное различие заключается в полярности напряжения на вторичной обмотке – у СВ на стороне высокого напряжения оно находится в фазе с напряжением первичной обмотки, а у СВ на стороне низкого напряжения – рассогласовано по фазе.

Разработчики часто используют полевые транзисторы в синхронном выпрямителе вместо диодов, чтобы повысить его эффективность. Установка полевых транзисторов на стороне низкого напряжения упрощает использование, управление и измерение с помощью этой схемы, но повышает синфазный шум, вызванный инверсией полярности напряжения на вторичной обмотке.

На рис. 4 показаны упрощенные трансформаторные структуры с заменой каждого слоя обмотки прямо­угольным блоком, напряжение которого равно среднему значению напряжения по ширине слоя. Показана также паразитная емкость между каждым слоем и напряжения на каждом конденсаторе.

Упрощенная структура обратноходового трансформатора с активным ограничением перенапряжения и синфазные напряжения при использовании СВ на стороне

Рис. 4. Упрощенная структура обратноходового трансформатора с активным ограничением перенапряжения и синфазные напряжения при использовании СВ на стороне:
а) низкого напряжения;
б) высокого напряжения

В случае СВ на стороне низкого напряжения напряжение вторичной обмотки изменяется в противоположном направлении по сравнению со слоями первичной обмотки, складываясь в итоге с синфазным напряжением между слоями первичной и вторичной обмоток. Преимущество СВ на стороне высокого напряжения заключается в том, что значения всех напряжений имеют одинаковую полярность, что обеспечивает некоторую степень компенсации за счет снижения результирующего синфазного напряжения между первичной и вторичной обмотками. Степень подавления синфазной помехи с помощью СВ на стороне высокого напряжения зависит от относительного напряжения на слоях первичной и вторичной обмоток, количества слоев и их расположения.

 

Подавление электромагнитных синфазных помех трансформатора

Снижение результирующего синфазного напряжения почти до нулевого значения требует небольшой модификации конструкции трансформатора (рис. 5a). Вторичная обмотка находится между двумя вспомогательными слоями для экранирования, тем самым улучшая балансировку. Внешняя вспомогательная обмотка (показана красным) перемещается в одном из промежутков между первичной и вторичной обмотками. Вспомогательный слой обмотки имеет то же количество витков, что и слой вторичной обмотки, но обычно наматывается более тонкой проволокой, поскольку его номинальный ток намного ниже. Намотка вспомогательного слоя несколькими параллельными тонкими проводами полностью его заполняет, превращая в экран и предотвращая передачу любого синфазного шума из внешнего первичного слоя во вторичный.

Усовершенствованный обратноходовой трансформатор с активным ограничением перенапряжения, внутренним экраном и вспомогательной обмоткой

Рис. 5. Усовершенствованный обратноходовой трансформатор с активным ограничением перенапряжения, внутренним экраном и вспомогательной обмоткой:
a) расположение слоев;
б) упрощенный вид структуры и синфазные напряжения

В СВ на стороне высокого напряжения используется идентичный вспомогательный слой между первичной и вторичной обмотками в качестве эквивалента обмотки для синфазного баланса, благодаря чему обеспечивается экранирование синфазного шума от основной первичной обмотки.

Однако поскольку обмотка для баланса синфазного режима имеет то же количество витков, что вторичный слой и вспомогательные слои, балансировка достигается также во вторичном слое. Он эффективно экранируется двумя вспомогательными слоями, размещенными по одному с каждой стороны, и на все три слоя наводится одинаковое напряжение. В силу этого обстоятельства во вторичный слой протекает синфазный ток, почти равный нулю. Размер внешнего фильтра для этой структуры с очень низким уровнем электромагнитных синфазных помех сравнительно меньше.

На рис. 5б представлен упрощенный вид поперечного сечения с эквивалентными слоями в виде пластин конденсатора с усредненным напряжением на каждой пластине. Видно, что синфазный ток, протекающий от каждого вспомогательного слоя ко вторичному слою, приблизительно равен нулю, поскольку обе стороны каждой паразитной емкости имеют одинаковое напряжение.

В СВ на стороне низкого напряжения используется та же структура, но поскольку у вспомогательного и вторичного слоев – разные полярности, результирующий синфазный сигнал определяется как сумма. Вспомогательный слой, который расположен в другом промежутке между первичной и вторичной обмотками и обеспечивает синфазный баланс, тоже намотан рядом параллельных проводников для образования экранирующего слоя. Но этому вспомогательному слою требуется больше витков, чтобы предотвратить влияние синфазного тока между вспомогательным и вторичным слоями.

Уравнение (1) позволяет рассчитать идеальное номинальное количество витков в слое для подавления помех. В уравнении учитывается инверсия полярности во вторичном слое, и конечный результат ясно указывает на аддитивный эффект:

Формула

Например, если число витков вспомогательного слоя, как и вторичного слоя, составляет 5N, число витков слоя для подавления помех равно 15N. Оно значительно больше тех 5N, которые требуются СВ на стороне высокого напряжения. На практике вспомогательный слой для подавления помех обычно требует больше витков, чем то, которое определяется с помощью уравнения (1), и потому для поиска оптимального значения применяется итерация.

Чтобы обеспечить тот же синфазный баланс, можно воспользоваться другими конструкциями, которые отличаются от показанной на рис. 5. Окончательный выбор зависит от таких ограничений как стоимость (компенсирующие слои увеличивают стоимость изготовления трансформатора), индуктивность рассеяния (дополнительные слои между первичными и вторичными слоями ее увеличивают), паразитная емкость трансформатора и воспроизводимость параметров в крупносерийном производстве.

 

Результаты испытаний на ЭМП

На рис. 6–7 и в таблицах 1–2 представлены результаты измерения электромагнитных помех, полученные для усовершенствованной конструкции СВ на стороне низкого напряжения. Заметим, что эти результаты с хорошим запасом соответствуют требованиям стандарта EN 55032 Class B. Малые синфазные электромагнитные помехи от трансформатора с симметричной структурой позволяют использовать в фильтре Y‑конденсатор малой емкости: она составляет всего 330 пФ, но при этом с запасом соответствуют ограничениям на электромагнитные помехи EN 55032 класса B. Синхронный выпрямитель на стороне высокого напряжения достигает схожего результата благодаря трансформаторной структуре, сбалансированной по синфазным помехам.

Результаты измерения кондуктивных электромагнитных помех в СВ на стороне низкого напряжения при нагрузке 65 Вт и напряжении 115 В переменного тока

Рис. 6. Результаты измерения кондуктивных электромагнитных помех в СВ на стороне низкого напряжения при нагрузке 65 Вт и напряжении 115 В переменного тока

Результаты измерения кондуктивных электромагнитных помех в СВ на стороне низкого напряжения при нагрузке 65 Вт и напряжении 230 В переменного тока

Рис. 7. Результаты измерения кондуктивных электромагнитных помех в СВ на стороне низкого напряжения при нагрузке 65 Вт и напряжении 230 В переменного тока

Таблица 1. Результаты измерения при 115 В АС

Частота, МГц

Квазипиковое значение
помехи, дБмкВ

Среднее значение помехи, дБмкВ

Предел, дБмкВ

Допуск, дБ

Время измерения, мс

Ширина полосы, кГц

Линия

Фильтр

Коррекция, дБ

0,17

47,47

64,73

17,26

1000

9

L1

Вкл.

19

0,19

32,93

54,11

21,18

1000

9

L1

Вкл.

19

0,38

27,43

48,19

20,76

1000

9

L1

Вкл.

19

0,78

39,58

56,00

16,42

1000

9

L1

Вкл.

19

1,35

20,66

46,00

25,34

1000

9

L1

Вкл.

19

1,36

37,30

56,00

18,70

1000

9

L1

Вкл.

19

4,84

21,36

46,00

24,64

1000

9

L1

Вкл.

19

4,84

36,53

56,00

19,47

1000

9

L1

Вкл.

19

9,67

29,57

50,00

20,43

1000

9

L1

Вкл.

19

9,88

42,95

60,00

17,05

1000

9

L1

Вкл.

19

19,02

54,23

60,00

5,77

1000

9

L1

Вкл.

20

19,35

45,70

50,00

4,30

1000

9

L1

Вкл.

20

Таблица 2. Результаты измерения при 230 В АС

Частота,  МГц

Квазипиковое значение помехи, дБмкВ

Среднее значение помехи, дБмкВ

Предел, дБмкВ

Допуск, дБ

Время измерения, мс

Ширина полосы, кГц

Линия

Фильтр

Коррекция, дБ

0,23

39,63

62,58

22,95

1000

9

L1

Вкл.

19

0,23

38,45

52,58

14,13

1000

9

L1

Вкл.

19

0,48

38,36

46,40

8,04

1000

9

L1

Вкл.

19

0,48

39,64

56,29

16,65

1000

9

L1

Вкл.

19

1,47

33,80

56,00

22,20

1000

9

L1

Вкл.

19

1,47

30,25

46,00

15,75

1000

9

L1

Вкл.

19

4,67

28,26

46,00

17,74

1000

9

L1

Вкл.

19

4,74

31,78

56,00

24,22

1000

9

L1

Вкл.

19

9,33

34,93

50,00

15,07

1000

9

L1

Вкл.

19

10,32

40,01

60,00

19,99

1000

9

L1

Вкл.

19

18,36

45,13

50,00

4,87

1000

9

L1

Вкл.

20

18,56

50,97

60,00

9,03

1000

9

L1

Вкл.

20

 

Выводы

Структура трансформатора для обратноходового преобразователя действительно влияет на синфазные ЭМП. В основном, меньший сигнал синфазного шума СВ на стороне высокого напряжения позволяет использовать более простую структуру трансформатора по сравнению со схемой, в которой СВ установлен на стороне низкого напряжения.

Благодаря малым синфазным ЭМП обратноходового трансформатора с такой структурой появляется возможность использовать в фильтре Y‑конденсатор малой емкости. Это большое преимущество для приложений с сенсорным экраном, которым требуется малый ток утечки для повышения их разрешения и чувствительности.

Литература
  1. Bernard Keogh and Joe Leisten. Practical EMI Considerations for Low-Power AC-DC Supplies. TI Power Supply Design Seminar SEM2400 (SLUP394). November. 2020.
  2. Bernard Keogh and Isaac Cohen. Flyback transformer design considerations for efficiency and EMI. TI Power Supply Design Seminar SEM2200 (SLUP338). November. 2017.
  3. Bob Mammano and Bruce Carsten. Understanding and Optimizing Electromagnetic Compatibility in Switchmode Power Supplies. TI Power Supply Design Seminar SEM1500 (SLUP202). November. 2002.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *