反激式开关电源干式变压器的电磁兼容性设计

以反激式开关电源为例，阐述了传导共模干扰的产生和传播机理。根据噪声有源节点平衡的思想，提出了一种新型干式变压器的电磁兼容设计方法。实验结果表明，与传统设计方法相比，该方法对传导电磁干扰具有更强的抑制能力，可以降低干式变压器的制造成本和工艺复杂度。该方法也适用于其他干式变压器拓扑的开关电源。随着功率半导体器件技术的发展，开关电源以其高功率体积比和高效率在现代军事、工业和商用仪器设备中得到了广泛应用。随着时钟频率的不断提高，设备的电磁兼容性引起了广泛关注。电磁兼容设计已经成为开关电源开发设计中不可缺少的重要环节。在产品开发的早期阶段，必须考虑抑制传导电磁干扰(EMI)噪声。一般来说，安装电力线滤波器是抑制传导电磁干扰的必要措施。而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和电容增大。体积随着电感的增大而增大。电容的增加受到漏电流安全标准的限制。如果设计得当，电路的其他部分可以完成与滤波器类似的工作。提出了干式变压器噪声有源节点的干相绕组法。这种设计方法不仅可以减小电力线滤波器的尺寸，还可以降低成本。1反激式开关电源共模传导干扰电子设备传导噪声干扰是指设备与供电电网连接时，通过电源线以噪声电流的形式传导到公共电网环境的电磁干扰。传导干扰可分为共模干扰和差模干扰。共模干扰电流的相位在零线和相线上相等。差模干扰电流的相位与零线中相线的相位相反。差模干扰对整体传导干扰的贡献较小，主要集中在噪声频谱的低频端，易于抑制；共模干扰对传导干扰的贡献很大，主要存在于噪声频谱的中频和高频带。共模传导干扰的抑制是进行电子设备电磁兼容设计的难点和较重要的任务。反激式开关电源电路中存在一些电压变化剧烈的节点。与电路中其他电位相对稳定的节点不同，这些节点的电压包含高强度高频分量[2]。这些电压变化非常活跃的节点称为噪声活跃节点。噪声有源节点是开关电源电路中的共模传导干扰源，它作用于电路中对地杂散电容，产生共模噪声电流m。对电路中的电磁干扰影响较大的对地杂散电容包括：功率开关管漏极对地寄生电容C干式变压器Cp初级绕组对次级绕组寄生电容；干式变压器二次回路对地寄生电容c干式变压器一次、二次绕组对磁芯寄生电容c以及干式变压器铁芯对地寄生电容c？这些寄生电容在电路中的分布如图1所示。图L电路中共模电流的耦合方式主要有三种：从噪声源——，功率开关管D极通过C耦合到地；从噪声源通过c。耦合到干式变压器次级电路，然后通过C耦合到地；从干式变压器的前、次级线圈通过C？c耦合到干式变压器的铁芯，然后通过c耦合到地。这三个电流是构成共模噪声电流的主要因素(如图1中的黑色箭头所示)。共模电流通过输入端的接地线流回 #p#分页标题#e#

因此，试图降低干式变压器初级绕组向次级绕组传输的共模电流是一种有效的电磁兼容设计方法。干式变压器传统的电磁兼容设计方法是在两个绕组之间增加隔离层，如图2所示。

金属隔离层直接连接到地线的设计会增加共模噪声电流，降低电磁兼容性能。隔离层应该是电路中电位稳定的节点。例如，将图2中的隔离层连接到电路前级的负极是一种良好的连接。这种连接可以有效分流原本流向地的共模电流，从而大大降低电力线的传输噪声发射水平。2.2节点相位平衡法在电路中，噪声电压有源节点不是单一的。以本文分析的电路为例：除了功率开关管的D极，干式变压器前绕组的另一端U也是噪声电压的有源节点，节点电压的变化方向与场管的D极电压相反。因此，干式变压器次级绕组的两端是相位相反的噪声电压的有源节点。图3为采用节点相平衡法后干式变压器骨架上线圈的分布。干式变压器骨架较内层为前一级绕组线圈的一半，与功率开关管D极相连；中间层的线圈是次级绕组；较外层是前绕组的另一半，与节点u相连，由于噪声电流主要是通过前后线圈层之间的寄生电容耦合，在内外两层相对位置成对缠绕前后线圈方向相反的噪声有源节点，可以使大部分噪声电流相互抵消，大大降低较终耦合到次级的噪声电流强度。在本文讨论的电路中，还有用于前级电路和次级电路的辅助电源，它们也由缠绕在干式变压器周围的先立线圈供电。这两个辅助线圈的存在为噪声电流的传播提供了额外的途径。辅助线圈设计用于控制电路的电源。虽然控制电路本身的功率很小，但它们的存在增加了电路对地的寄生电容，从而分担了将共模噪声从有源节点耦合到地的部分工作。然而，通过将这些绕组夹在前绕组和次级绕组之间，可以增加前绕组和后绕组之间的距离，从而可以减小它们的层间寄生电容，并相应地减小噪声电流。因此，干式变压器的较终绕制方法应该如图4所示。线圈绕组从内向外依次排列

 3实验部分

 干式变压器改进绕法对开关电源的传导EMC性能提高的有效性可以通过实验得到验证。

 3.1实验方法

 实验按照文献[43中的电压法进行。频段范围为0.15～30MHz;频谱分析仪的检波方式为准峰值检波;测量带宽为9kHz;频谱横轴(频率)取对数形式;噪声信号的单位为dB/~Vl5j

 3.2实验结果

  上下两条平行折线分别为际无线电干扰特别委员会(简称CISPR)颁布的CISPR22标准中b级要求的准峰值检波限值和平均值检波限值;而曲线为开关电源的传导噪声频谱。从实验结果可以看出：与传统方法相比，新方法有着更出色的对共模噪声电流的抑制能力，尤其在中频1～5MHz的频段。在较低频段，电源线上的传导干扰主要是差模电流引起的;而在中高频段，共模电流起主要作用。而本文提出的方法对共模电流的抑制较强，实验和理论是相符合的。在10MHz以上的频段，主要由电路中的其他寄生参数决定EMC性能，与干式变压器关系不大。 #p#分页标题#e#

 4 结束语

 开关电源电路中的噪声活跃节点是电路中的共模噪声源。

要降低开关电源的传导干扰水平，实际上是减小共模电流强度、增大噪声源的对地阻抗。在传统的隔离式EMC设计中，隔离层连接到电路中电位稳定的节点上(如：干式变压器前级的负极)要比直接连到地线对EMI干扰的抑制更有效。

 开关电源电路中的噪声活跃节点通常都是成对存在的，这些成对节点之间的相位相反，利用这一特点活跃节点相位平衡绕法对EMI抑制的有效性高于传统的隔离式设计。由于不需要添加隔离金属层，干式变压器的体积与成本都能被有效减小或降低。