开关电源变压器屏蔽层抑制共模EMI的研究

0 引言

电磁兼容(Electro magnetic Compatibility，EMC)是指电子设备或系统在电磁环境下能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。它包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感(EMS)两方面。由于开关电源中存在很高的di/dt和du/dt，因此，所有拓扑形式的开关电源都有电磁干扰的问题。目前克服电磁干扰的技术手段主要有：在电源的输入、输出端设置无源或有源滤波器，设置屏蔽外壳并接地，采用软开关技术和变频控制技术等。

开关电源中，EMI产生的根本原因在于存在着电流、电压的高频急剧变化，其通过导线的传导，以及电感、电容的耦合形成传导EMI。同而电流、电压的变化必定伴有磁场、电场的变化，因此，导致了辐射EMI。本文着重分析变压器中共模传导EMI产生的机理，并以此为依据，阐述了变压器中不同的屏蔽层设置方式对共模传导EMI的抑制效果。

1 高频变压器中传导EMI产生机理

以反激式变换器为例，其主电路如图1所示。

开关管开通后，变压器一次侧电流逐渐增加，磁芯储能也随之增加。当开关管关断后，二次侧整流二极管导通，变压器储能被耦合到二次侧，给负载供电。

图1 反激变换器

在开关电源中，输入整流后的电流为尖脉冲电流，开关开通和关断时变换器中电压、电流变化率很高，这些波形中含有丰富的高频谐波。另外，在主开关管开关过程和整流二极管反向恢复过程中，电路的寄生电感、电容会发生高频振荡，以上这些都是电磁干扰的来源。开关电源中存在大量的分布电容，这些分布电容给电磁干扰的传递提供了通路，如图2所示。图2中，LISN为线性阻抗稳定网络，用于线路传导干扰的测量。干扰信号通过导线、寄生电容等传递到变换器的输入、输出端，形成了传导干扰。变压器的各绕组之间也存在着大量的寄生电容，如图3所示。图3中，A、B、C、D4点与图1中标识的4点相对应。

图2 反激式开关电源寄生电容典型的分布

图3 变压器中寄生电容的分布

在图1所示的反激式开关电源中，变换器工作于连续模式时，开关管VT导通后，B点电位低于A点，一次绕组匝间电容便会充电，充电电流由A流向B;VT关断后，寄生电容反向充电，充电电流由B流向A。这样，变压器中便产生了差模传导EMI。同时，电源元器件与大地之间的电位差也会产生高频变化。由于元器件与大地、机壳之间存在着分布电容，便产生了在输入端与大地、机壳所构成回路之间流动的共模传导EMI电流。

具体到变压器中，一次绕组与二次绕组之间的电位差也会产生高频变化，通过寄生电容的耦合，从而产生了在一次侧与二次侧之间流动的共模传导EMI电流。交流等效回路及简化等效回路如图4所示。图4中：ZLISN为线性阻抗稳定网络的等效阻抗;CP为变压器一次绕组与二次绕组间的寄生电容;ZG为大地不同点间的等效阻抗;CSG为输出回路与地间的等效电容;Z为变压器以外回路的等效阻抗。

图4 变压器中共模传导EMI的流通回路

2 变压器中共模传导EMI数学模型

以图3所示的变压器为例，最上层一次绕组与二次绕组间的寄生电容最大，是产生共模传导EMI的主要原因，故以下主要分析这两层间分布电容对共模传导EMI的影响，忽略变压器其他绕组对共模传导EMI的影响。

设一次绕组有3层，每层m匝，二次绕组仅一层，为n匝。当变压器磁芯中的磁通发生变化，便会同时在一次侧和次级产生感应电动势。根据叠加定理，可认为这是仅一次绕组有感应电动势、二次绕组电动势为零和仅二次绕组有感应电动势、一次绕组电动势为零两种情况的叠加。仅一次绕组有感应电动势、二次绕组电动势为零的情况如图5所示。图5中：e1为每匝一次绕组的感应电动势;C1x为一匝最外层一次绕组与二次绕组间的寄生电容。

图5 仅一次绕组有感应电动势的情况

在此情况下，由一次侧流向次级的共模电流为：

在仅二次绕组有感应电动势、一次绕组电动势为零的情况如图6所示。图6中：e2为每匝二次绕组的感应电动势;C2x为一匝二次绕组与一次绕组最外层间的寄生电容。

图6 仅二次绕组有感应电动势的情况

在此情况下，由次级流向一次侧的共模电流为：

根据叠加原理，可得在一次侧最外层绕组和次级间流动的共模电流：

3 屏蔽绕组抑制共模传导EMI原理

根据图3所示的结构。绕制变压器，并在交流整流滤波后增设13mH差模滤波电感和6.8差模滤波电容，对开关电源进行传导EMI测试，结果如图6所示。由图6可见，传导EMI非常严重，不能通过电磁干扰测试。在交流整流前增设35mH共模滤波电感，传导EMI测试结果如图7所示，产品即可通过测试。比较测试结果可得出：在图3所示的电路中，主要是由于大量共模传导EMI，才使电源不能通过电磁干扰测试。

图7 变压器内部不设置屏蔽的传导EMI测试结果