開關(guān)電源的變壓器EMC設計

對于帶變壓器拓撲結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源來說，變壓器的電磁兼容性(EMC)設計對整個開關(guān)電源的EMC水平影響較大。本文以一款反激式開關(guān)電源為例，闡述了其傳導共模干擾的產(chǎn)生、傳播機理。根據(jù)噪聲活躍節(jié)點平衡的思想，提出了一種新的變壓器EMC設計方法。通過實驗驗證，與傳統(tǒng)的設計方法相比，該方法對傳導電磁干擾(EMI)的抑制能力更強，且能降低變壓器的制作成本和工藝復雜程度。本方法同樣適用于其他形式的帶變壓器拓撲結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源。

　　隨著功率半導體器件技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源高功率體積比和高效率的特性使得其在現(xiàn)代軍事、工業(yè)和商業(yè)等各級別的儀器設備中得到廣泛應用，并且隨著時鐘頻率的不斷提高，設備的電磁兼容性(EMC)問題引起人們的廣泛關(guān)注。EMC設計已成為開關(guān)電源開發(fā)設計中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

　　傳導電磁干擾(EMI)噪聲的抑制必須在產(chǎn)品開發(fā)初期就加以考慮。通常情況下，加裝電源線濾波器是抑制傳導EMI的必要措施l1l。但是，僅僅依靠電源輸入端的濾波器來抑制干擾往往會導致濾波器中元件的電感量增加和電容量增大。而電感量的增加使體積增加；電容量的增大受到漏電流安全標準的限制。電路中的其他部分如果設計恰當也可以完成與濾波器相似的工作。本文提出了變壓器的噪聲活躍節(jié)點相位干燥繞法，這種設計方法不僅能減少電源線濾波器的體積，還能降低成本。

　　1 反激式開關(guān)電源的共模傳導干擾

　　電子設備的傳導噪聲干擾指的是：設備在與供電電網(wǎng)連接工作時以噪聲電流的形式通過電源線傳導到公共電網(wǎng)環(huán)境中去的電磁干擾。傳導干擾分為共模干擾與差模干擾兩種。共模干擾電流在零線與相線上的相位相等；差模干擾電流在零線與相線上的相位相反。差模干擾對總體傳導干擾的貢獻較小，且主要集中在噪聲頻譜低頻端，較容易抑制；共模干擾對傳導干擾的貢獻較大，且主要處在噪聲頻譜的中頻和高頻頻段。對共模傳導干擾的抑制是電子設備傳導EMC設計中的難點，也是最主要的任務。

　　反激式開關(guān)電源的電路中存在一些電壓劇變的節(jié)點。和電路中其他電勢相對穩(wěn)定的節(jié)點不同，這些節(jié)點的電壓包含高強度的高頻成分[2]。這些電壓變化十分活躍的節(jié)點稱為噪聲活躍節(jié)點。噪聲活躍節(jié)點是開關(guān)電源電路中的共模傳導干擾源，它作用于電路中的對地雜散電容就產(chǎn)生共模噪聲電流M 。而電路中對EMI影響較大的對地雜散電容有：功率開關(guān)管的漏極對地的寄生電容C 變壓器的主邊繞組對副邊繞組的寄生電容Cp ；變壓器的副邊回路對地的寄生電容C 變壓器主、副邊繞組對磁芯的寄生電容C。 、C 以及變壓器磁芯對地的寄生電容C? 這些寄生電容在電路中的分布如圖1所示。

　　圖l中的共模電流， 在電路中的耦合途徑主要有3條：從噪聲源—— 功率開關(guān)管的d極通過C耦合到地；從噪聲源通過c。 耦合到變壓器次級電路，再通過C 耦合到地；從變壓器的前、次級線圈通過C?C 耦合到變壓器磁芯，再通過C 耦合到地。這3種電流是構(gòu)成共模噪聲電流(圖1中的黑色箭頭所示)的主要因素。共模電流通過電源線輸入端的地線回流，從而被LISN取樣測量得到。

　　2 隔離變壓器的EMC設計

　　2．1 傳統(tǒng)變壓器EMC設計

　　共模噪聲的耦合除了通過場效應管d極對地這條途徑外，開關(guān)管d極的噪聲電壓通過變壓器的寄生電容將噪聲電流耦合到變壓器副邊繞組所在的回路，再通過次級回路對地的寄生電容耦合到地也是共模電流產(chǎn)生的途徑。因此設法減小從變壓器主邊繞組傳遞到副邊繞組間的共模電流是一種有效的EMC設計方法。傳統(tǒng)的變壓器EMC設計方法是在兩繞組間添加隔離層[3]，如圖2所示。

　　金屬隔離層直接連接地線的設計會增大共模噪聲電流，使EMC性能變差。隔離層應該是電路中電位穩(wěn)定的節(jié)點，比如將圖2中的隔離層連接到電路前級的負極就是一個很好的接法。這樣的連接能把原本流向大地的共模電流有效分流，從而大大降低電源線的傳導噪聲發(fā)射水平。