反激式开关电源的变压器电磁兼容性设计.docx

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1、反激式开关电源的变压器电磁兼容性设计 本文以一款反激式开关电源为例，阐述了其传导共模干扰的产生、传播机理。 根据噪声活跃节点平衡的思想，提出了一种新的变压器EMC设计方法。通过实 验验证，与传统的设计方法相比，该方法对传导电磁干扰(EMI)的抑制能力更 强，且能降低变压器的制作成本和工艺复杂程度。本方法同样适用于其他形式 的带变压器拓扑结构的开关电源。随着功率半导体器件技术的发展，开关电源高功率体积比和高效率的特性使得 其在现代军事、工业和商业等各级别的仪器设备中得到广泛应用，并且随着时 钟频率的不断提高，设备的电磁兼容性(EMC)问题引起人们的广泛关注。EMC设 计已成为开关电源开发设计中必

2、不可少的重要环节。传导电磁干扰(EMI)噪声的抑制必须在产品开发初期就加以考虑。通常情况下， 加装电源线滤波器是抑制传导EMI的必要措施1。但是，仅仅依靠电源输入端 的滤波器来抑制干扰往往会导致滤波器中元件的电感量增加和电容量增大。而 电感量的增加使体积增加；电容量的增大受到漏电流安全标准的限制。电路中 的其他部分如果设计恰当也可以完成与滤波器相似的工作。本文提出了变压器 的噪声活跃节点相位干燥绕法，这种设计方法不仅能减少电源线滤波器的体 积，还能降低成本。1、反激式开关电源的共模传导干扰电子设备的传导噪声干扰指的是：设备在与供电电网连接工作时以噪声电流的 形式通过电源线传导到公共电网环境中去

3、的电磁干扰。传导干扰分为共模干扰 与差模干扰两种。共模干扰电流在零线与相线上的相位相等；差模干扰电流在 零线与相线上的相位相反。差模干扰对总体传导干扰的贡献较小，且主要集中 在噪声频谱低频端，较容易抑制；共模干扰对传导干扰的贡献较大，且主要处 在噪声频谱的中频和高频频段。对共模传导干扰的抑制是电子设备传导EMC设 计中的难点，也是最主要的任务。反激式开关电源的电路中存在一些电压剧变的节点。和电路中其他电势相对稳 定的节点不同，这些节点的电压包含高强度的高频成分2。这些电压变化十分 活跃的节点称为噪声活跃节点。噪声活跃节点是开关电源电路中的共模传导干 扰源，它作用于电路中的对地杂散电容就产生共模

4、噪声电流L。而电路中对 EMI影响较大的对地杂散电容有：功率开关管的漏极对地的寄生电容Cde,变压 器的主边绕组对副边绕组的寄生电容Cpa；变压器的副边回路对地的寄生电容 Cae，变压器主、副边绕组对磁芯的寄生电容CPc、品以及变压器磁芯对地的寄 生电容L这些寄生电容在电路中的分布如图1所示。图1、共模噪声电流在电路中的耦合途径图1中的共模电流【CM在电路中的耦合途径主要有3条：从噪声源一一功率开 关管的d极通过Cde耦合到地；从噪声源通过Cpa耦合到变压器次级电路，再通 过Cae耦合到地；从变压器的前、次级线圈通过Cg Cac耦合到变压器磁芯，再 通过口耦合到地。这3种电流是构成共模噪声电流

5、（图1中的黑色箭头所示） 的主要因素。共模电流通过电源线输入端的地线回流，从而被LISN取样测量得 到。2、隔离变压器的EMC设计2.1、 传统变压器EMC设计共模噪声的耦合除了通过场效应管d极对地这条途径外，开关管d极的噪声电 压通过变压器的寄生电容将噪声电流耦合到变压器副边绕组所在的回路，再通 过次级回路对地的寄生电容耦合到地也是共模电流产生的途径。因此设法减小 从变压器主边绕组传递到副边绕组间的共模电流是一种有效的EMC设计方法。 传统的变压器EMC设计方法是在两绕组间添加隔离层3，如图2所示。图2、变压器隔离层对噪声电流的影响金属隔离层直接连接地线的设计会增大共模噪声电流，使EMC性能

6、变差。隔离 层应该是电路中电位稳定的节点，比如将图2中的隔离层连接到电路前级的负 极就是一个很好的接法。这样的连接能把原本流向大地的共模电流有效分流， 从而大大降低电源线的传导噪声发射水平。2.2、 节点相位平衡法在电路中，噪声电压活跃节点并不是单一的。以本文分析的电路为例：除功率 开关管的d极外，变压器前级绕组的另一端，也是一个噪声电压活跃节点， 而且节点电压的变化方向与场管的d极电压情况相反。所以变压器次级绕组的 两端是相位相反的噪声电压活跃节点。图3所示的是采用节点相位平衡法后， 变压器骨架上的线圈分布情况。Uoooooooooooooo-1 r1nli00000290 T图3、噪声电流在变压器内部的耦合情况