适当的布局和元件选择控制电源 EMI（4）

如果存在电场发射，则可能的罪魁祸首是系统中的最高电位。在电源和开关稳压器中，我们应该注意开关晶体管和整流器，因为它们通常具有高电位，并且还可能由于散热而具有较大的表面积。表面贴装设备也可能存在这个问题，因为它们通常需要大量的印刷电路板铜来散热。在这种情况下，我们还应该注意任何大面积散热层与接地层或电源层之间的电容。

电场相对容易控制，但磁场是一个不同的命题。用高μ材料封装电路可以提供有效的屏蔽，但这种方法既困难又昂贵。通常，控制磁场发射的最佳方法是在源头上将其最小化。一般来说，这种方法要求我们选择设计用于最小化辐射磁场的电感器和变压器。我们还应该配置印刷电路板布局和互连布线以最小化电流环路的大小，尤其是在大电流路径中。大电流回路不仅会辐射磁场，还会增加导体的电感，这会导致承载高频电流的线路出现电压尖峰。

没有变压器或电感器设计经验的电路设计人员可能会选择现成的变压器和电感器。即便如此，精通磁学的设计人员也可以为应用选择最佳组件。

减少电感器辐射的关键在于使用高 μ 材料来保持磁芯中的磁场并远离周围空间。磁场在较高 µ 材料中具有成比例的较高密度。这种情况类似于并联电导：1S (s=siemens) 电导(1W 电阻器)与 1-mS 导体(1 kW 电阻器)并联的电流是 1-mS 导体的 1000 倍。磁场密度在 1000µ、1 英寸之间以 1000 比 1 的比率划分。2 芯和 1µ，1 英寸。2 核心。高 µ 材料不能存储大量能量，因此对于紧凑型电感器，我们必须使用带有气隙的高 µ 磁芯。

B 场(Y 轴)与 V´t/N 成比例，其中 N 是匝数。H 场(X 轴)与 N´i 成比例。因此，曲线的斜率(与 µ 成正比)也与电感成正比(L=V(dI/dt))。在这个铁氧体(或任何其他高 μ 磁芯)上增加一个间隙会降低斜率，从而降低有效 μ，从而降低电感。电感随斜率的变化而减小，最大电流随斜率的变化而增加，饱和 B 场保持不变。 因此，存储在电感器中的最大能量(½LI 2 )增加。我们还可以通过向电感器施加电压并注意达到饱和的时间量或 B SAT来说明这种增加 . 存储在核心中的能量是 (V´I)dt 的积分。因为在相同的电压和时间下，与有间隙的磁芯相关的电流更高，相应的存储能量水平也更高。

然而，在磁芯上增加一个间隙会增加电感器周围空间中的磁场辐射。出于这个原因，大多数设计人员避免在一些对噪声敏感的应用中使用线轴芯，因为大的气隙使它们成为臭名昭著的磁场辐射发生器。线轴磁芯，简单来说就是一个线轴形状的铁氧体，是最简单和最便宜的有间隙铁氧体磁芯类型之一。围绕中心柱的绕组线构成一个电感器。成本很低，因为我们或制造商可以将电线直接缠绕在芯线上，除了端接电线外无需额外工作。在某些情况下，导线终止于磁芯底部的金属化区域，这允许电感器的表面安装。在其他表面贴装元件中，

一些制造商在骨架磁芯周围放置铁氧体屏蔽层，以帮助减少场发射。这种措施有帮助，但它也减少了间隙，因此减少了核心可以存储的能量。由于铁氧体本身可以存储的能量非常少，制造商通常会在屏蔽层和磁芯之间留下一个小间隙，这会在这种类型的电感器中产生一些不需要的磁场辐射。根据可接受的辐射水平，骨架铁芯可能是成本和 EMI 之间的良好折衷。

应用要求决定了其他核心形状是否应该包括间隙。例如，罐式磁芯、EI 磁芯和 EE 磁芯具有可能包含间隙的中心腿或柱。在线圈围绕的磁芯中心增加一个间隙，有助于减少气隙引起的辐射发射。这些电感器通常更昂贵，因为我们或制造商必须将线圈与铁芯分开缠绕，然后将铁芯部件组装在线圈周围。为了便于设计和组装，我们可以购买带有预置中心腿的芯。

也许减少辐射发射的最佳核心是分布式间隙环形线圈。该核心包含填充物和高微米金属粉末的混合物，压制成环形的环形。由非磁性填料隔开的金属粉末颗粒之间具有小的气隙，从而形成了一个整体“气隙”，该气隙均匀分布在整个磁芯中。线圈穿过铁芯的中心并绕在铁芯的外侧，这使得磁场沿着线圈的中间绕一圈。只要线圈绕在环形的整个圆周上，这种类型的磁芯就会通过完全包围磁场来屏蔽外部。

典型分布间隙环形磁芯的损耗有时高于带间隙铁氧体，因为环形磁芯中的金属晶粒容易受到涡流的影响，涡流会产生热量并降低电源效率。环形线圈的缠绕成本也很高，因为导线必须穿过磁芯的中心。机器可以绕线，但它们比传统的绕线机更慢且更昂贵。

一些铁氧体环形磁芯具有离散的气隙。由此产生的磁场发射高于分布间隙磁芯，但典型的带间隙环形磁芯具有较低的损耗，因为它们比其他离散间隙铁氧体磁芯更好地包含磁场。线圈通过屏蔽间隙来减少辐射，而环形有助于将磁场保持在磁芯内。

类似电感器的限制

变压器与电感器有许多共同之处，因为它们缠绕在相同的磁芯上。然而，有些问题是变压器独有的。实际变压器的性能可以接近理想变压器的性能，理想变压器将电压从初级绕组耦合到次级绕组，其比率与每个绕组的匝数比成正比。

变压器的等效电路将绕组间电容建模为 C WA 和 C WB 。这些参数造成了隔离电源中的共模辐射问题。绕组电容 C P 和 C S 很小，在开关电源和稳压器的工作频率下通常可以忽略不计。励磁电感，L M , 很重要，因为过多的磁化电流会导致变压器饱和。至于电感器，饱和会增加变压器的磁场发射。饱和还会导致更高的铁芯损耗、更高的温度以及热失控的可能性，以及绕组之间耦合的退化。

仅连接一个绕组的磁场会导致漏感。尽管一些耦合电感器和变压器(例如共模扼流圈)设计用于高水平的此参数，但漏电感 L LP 和 L LS 是开关电源中最成问题的寄生元件。链接两个绕组的磁通量将这些绕组耦合在一起。两个变压器绕组都围绕磁芯，因此任何漏感都在磁芯外部和空气中，可能会导致磁场发射。

漏感的另一个问题是当电流快速变化时会出现很大的产生电压，就像大多数开关电源的变压器一样。这种电压会使开关晶体管或整流器过载。耗散缓冲器通常包括串联电阻和电容，是通过耗散电压尖峰的能量来控制该电压的常用元件。另一方面，一些开关器件的设计使其能够承受重复的雪崩击穿，并且这些器件可以在没有外部缓冲器的情况下耗散能量。

我们可以通过将次级绕组短路并测量初级绕组的电感来确定变压器的漏感。该测量包括通过变压器耦合的任何次级漏感，但在实践中，我们必须考虑这种漏感，因为它会增加初级电压尖峰。我们将相应的尖峰能量计算为 E=½LI 2 ，因此漏感损失的功率是每个 s 的能量。