【经验】电源适配器传导设计之差模噪声的产生与解决措施分析

时间： 2021-09-22 来源：韬略科技

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一、传导干扰概念

传导干扰主要评估输入和输出线上流过的干扰噪声，测试的方法见图1所示。待测试的设备EUT通过阻抗匹配网络LISN连接到干净的交流电源上。

图1: LISN 及EUT测试

（一）LISN的作用如下：

1.隔离待测试设备EUT和交流输入电源，滤除由输入电源线引入的噪声及干扰。

2.EUT产生的干扰噪声依次通过LISN内部的高通滤波器和50 Ω电阻，在50 Ω电阻上得到相应的信号值送到接收机进行分析。

（二）测试原理分析：

传导干扰来源于差模电流噪声和共模电流噪声，这两种类型的噪声干扰如下图所示：

图2: 差模电流和共模电流

1.差模电流在两根输入电源线间反方向流动，两者相互构成电流回路，即一根作为差模电流的源线，一根作为差模电流的回线。

2.共模电流在两根输入电源线上同方向流动，它们分别与大地构成电流回路，即同时作为共模电流的源线或回线。

二、差模噪声产生原因及解决措施

差模电流噪声主要由功率开关器件的高频开关电流产生。

1.产生原因1：功率器件开通

在功率器件开通瞬间存在电流的尖峰，图3所示。

图3: 开通电流尖峰

开通电流尖峰由三部分组成：

（1）变压器初级绕组的层间电容充电电流。

（2）MOSFET漏源极电容的放电电流。

（3）工作在CCM模式的输出二极管的反向恢复电流。

开通电流尖峰不能通过输入滤波的直流电解电容旁路，因为输入滤波的直流电解电容有等效的串联电感ESL和电阻ESR，这样产生的差模电流在电源的两根输入线间流动。

图 4: 功率器件开通瞬间的差模电流

功率器件开通瞬间形成的差模电流为IDM 为：

对于变压器而言，初级绕组两端所加的电压高，初级绕组的层数少，层间的电容越少，然而在很多应用中由于骨架窗口宽度的限制并为了保证合适的饱和电流，初级绕组通常用多层结构。本设计针对四层的初级绕组结构进行讨论。

图5: 开关管开通时初级绕组层间电流流动方向

对于常规的四层初级绕组结构，在开关管开通和关断的过程中，层间的电流向同一个方向流动。在图5中，在开关管开通时，源极接到初级的地，B点电压为0，A点电压为Vin，基于电压的变化方向，初级绕组层间电容中电流流动方向向下，累积形成的差模电流值大。

2.产生原因2：功率器件关断

在功率器件关断瞬间，MOSFET漏源极电容的充电，变压器初级绕组的层间电容放电，这两部分电流也会形成差模电流，如图6所示。

图6: 功率器件关断瞬间的差模电流

功率器件关断瞬间形成的差模电流IDM 为：

图7: 开关管关断时初级绕组层间电流流动方向

同样，基于电压的变化方向，初级绕组层间电容中的电流流动方向向上，累积形成的差模电流值大。

3.产生原因3：功率开关工作于开关状态

开关电流（开关频率）的高次谐波也会因为输入滤波的直流电解电容的ESL和ESR形成差模电流。

图8: 开关电流形成的差模电流

差模电流可以通过差模滤波器滤除，差模滤波器为由电感和电容组成的二阶低通滤波器。从PCB设计而言，尽量减小高的di/dt的环路并采用宽的布线有利于减小差模干扰。

由于滤波器的电感有杂散的电容，对于高频的干扰噪声可以由杂散电容旁路，使滤波器不能起到有效的作用。用几个电解电容并联可以减小ESL和 ESR，在小功率的充电器中由于成本的压力不会用X电容，因此在交流整流后要加一级LC滤波器，图9所示。

图9: DM滤波器

如果对变压器的结构进行改进，如图10和11所示，通过补偿的方式可以减小差模电流。注意：初级绕组的热点应该埋在变压器的最内层，外层的绕组起到屏蔽的作用。

同样的基于电压的变化方向，可以得到初级绕组层间电容的电流流动的方向，由图 10 和 11 所示可以看到，部分的层间电流由于方向相反可以相互的抵消，从而得到补偿。

图10: 新结构开关管开通时初级绕组层间电流流动方向

图11: 新结构开关管关断时初级绕组层间电流流动方向

对于电源适配器的传导发射，本文分析差模噪声产生原因及解决方向，希望对于大家设计和整改有所帮忙，设计提前考虑，解决起来才能事半功倍。

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