預防總是勝於治療,一開始良好的變壓器設計,可以減低後續不必要的零件與驗證成本。因此基於此理念,探討有關變壓器設計問題。系統設計工程師解決棘手的電磁干擾問題時,本文將可提供實務理論與經驗協助產品開發,縮短研發時間,降低成本,增加產品競爭力。變壓器與電磁干擾之間有如下的關係,像是變壓器的線圈帶有高頻電流,因此變壓器實際上已成為接收磁場的天線,或是磁場會干擾附近的電路及元件,並通過這些電路及元件將磁場傳導或輻射出來,以下我們就來一一的探討。 變壓器內加屏蔽: 為了降低變壓器輻射干擾,一般我們會在一二次線圈中加插一片銅造的「法拉弟屏蔽」,以便將彙集在絕緣邊界的雜訊電流收集一起,並將這些雜訊電流分流到別的地方(通常會傳送到一次測線圈的接地)。值得留意的一點是,應該採用極薄的銅片作為屏蔽,以免因出現渦流而產生損耗,並確保可減少漏感。這片銅片一般厚2~4密耳(mil),並環繞中央盤一周。另外還有一條導線焊接在銅片中心附近,而另一端則連接一次測線圈的接地。我們要留意,銅片屏蔽的兩端不應該連接,因為對於變壓器來說,這樣會令這一繞圈短路。也有部分設計另外在二次測線圈上(亦即加了三層絕緣之後)再加設一個法拉弟屏蔽,而這個屏蔽則與二次測線圈接地連接一起。但市場上大部分電源供應器設計只要採納上述建議的線圈及架構設計,便毋需加設這些屏蔽。
變壓器外層屏蔽: 通常變壓器的外圍會有一層銅片屏蔽(亦即「磁通帶」)包圍著。這個屏蔽主要用以遮擋輻射。低成本的設計通常會任由這個屏蔽浮動,但如有需要,這個屏蔽也可與次測線圈接地連接一起。因為這是外層屏蔽,無論怎樣也不會讓變壓器的繞線出現短路情況,因此可以將屏蔽的銅箔座連接。從電磁干擾的觀點來看,返馳式變壓器最好採用中央設有間隙的設計,亦即變壓器的外盤並無間隙。無屏蔽的氣隙會在周邊產生電磁場,而產生大量電磁干擾訊號。這些干擾除了會引致磁通帶產生大量渦流損耗之外,也會成為強力的輻射源。 因此建議返馳式變壓器最好加上外屏蔽銅箔有效降低輻射干擾。 動點與靜點: 切換是電源中,我們將有快速切換電壓的電稱之為動點,低變化電壓的點我們稱之為靜點。電磁干擾的主要發射源是由動點產生,強烈建議將變壓器的動點放置於變壓器內側,將有效衰減輻射量。舉例來說,由於場效應電晶體的反覆開關,因此最好將一次測線圈的這一端盡量埋藏在最底的一層,亦即底層繞線的第一層。
變壓器製作工法: 有效的計算變壓器的圈數,線徑與層數,嘗試將每層的線圈為滿層繞製,將可有效的減低漏感的產生,抑制切換元件的突發發生,也是抑制電磁干擾很有效的方法之一。
以上提供了多種抑制電磁干擾有效的變壓器設計法則, 願讀者實際應用於切換式電源的變壓器設計時,遵循本文建議,將可順利通過安規驗證,減少不必要的摸索時間。
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