电源设计小贴士 47：解决隔离式开关的传导性共模辐射问题

在《电源设计小贴士 40：非隔离式电源的共模电流》（http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp?contentId=144511）中，我们讨论了开关级中大电压摆动如何形成共模电流的问题，并介绍了它驱动电流进入电容到机架接地的过程。在这篇《电源设计小贴士》中，我们将继续讨论共模电流的问题。
 
在隔离式电源中，这种情况变得更加糟糕，因为隔离变压器的次级绕组最终连接至机架接地。因此，存在相当大的初级到次级寄生电容。图 1 显示了一个这种情况的简化示意图。
 

 
图 1 Q1 高压开关驱动 C-STRAY 中共模电流
 
这是一种离线工作的隔离式反向结构。110 伏到 220 伏 AC 输入电源经过整流，从而向功率级提供 100 伏到 400 伏DC。电源开关迅速开启和关闭，在 Q1 漏极上产生 500 伏到 600 伏开关波形，其同时也施加于电源变压器的初级绕组。这种开关电压，在变压器初级绕组到次级绕组之间的杂散电容中形成电流。该电流流经负载的预设机架接地，或者只是以电容方式接地耦合。该电流必须完成噪声返回通路，从而产生开关式电源。在没有 C1 的情况下，它流回 AC 输入电源，然后流入电源的输入线，其很可能会超出 EMI 辐射规格。
 
由于其高电源阻抗，这种电流的滤波特别困难。变压器的杂散电容大小级别为　100 pF，其典型电源开关频率的阻抗为 10  千欧。只在电流通路中添加一个电感来减小这种电流的方法并不实际。例如，如果我们希望将电流减小 10 倍，其要求100 千欧的电抗（也即 0.1 亨），且分布电容小于 10 pF，这并不现实。
 
电容器 C1 带来了另一种解决方案。它为电流提供了一条本地返回通路。大多数共模电流通过该电容器在电源内部回流，而不是通过 AC 输入电源回流。另外，C1 还减小了系统的电源阻抗，这样共模串联电感 L1 就变得现实了。
 
在共模滤波器的设计过程中，一个关键因素是 C1 值的选择。从电磁干扰 (EMI) 的角度来看，其值越大越好。更大的电容可获得更小的 EMI 信号，且电源阻抗也更低。你可以利用电容的平方原则，估计 EMI 信号的减小程度。但是，高电容也意味着机架连线的线频率电流更大。另外，这种电流还有一些安全限制，目的是减少触电事故的发生机率。当电源机架连线断裂时，人员进入电流通路便会发生触电事故，如图 2 所示。IEC Std 601-1 将这种电流的大小限制为 0.5 mA RMS，同时人们还在讨论出台更为严格的安全规定。输入为 230 伏时，IEC 可有效地将 C1 值限制为 4700 pF。
 

 
图 2 C1 可以成为一种触电风险
 
总之，驱动寄生电容机架接地的高 dV/dt 电压波形，会形成共模电流。这种电流特别难以滤波，原因是其存在高电源阻抗。滤波要求使用一个机架电容器，提供另一条本地返回通路，并降低阻抗。尽管从 EMI 滤波器的角度来看，电容越大越好，但是总电容受限于安全规定。