鉅大LARGE | 點擊量：1056次 | 2019年12月27日
開關(guān)電源變壓器屏蔽層抑制共模EMI的研究
摘要：以反激式開關(guān)電源為例，在分析其高頻變壓器形成共模傳導(dǎo)EMI機(jī)理的基礎(chǔ)上，探討了在變壓器設(shè)計中設(shè)置屏蔽層以抑制共模傳導(dǎo)EMI的原理。給出了具體的設(shè)計方法，并應(yīng)用于具體產(chǎn)品的設(shè)計中。試驗測試表明，屏蔽層的設(shè)置可以有效地抑制高頻開關(guān)電源的共模傳導(dǎo)EMI。由此進(jìn)一步研究了屏蔽層在其他類型開關(guān)電源中應(yīng)用的可行性。
0引言
電磁兼容（ElectromagneticCompatibility，EMC）是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境下能正常工作，且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。它包括電磁干擾（EMI）和電磁敏感（EMS）兩方面。由于開關(guān)電源中存在很高的di/dt和du/dt，因此，所有拓?fù)湫问降拈_關(guān)電源都有電磁干擾的問題。目前克服電磁干擾的技術(shù)手段主要有：在電源的輸入、輸出端設(shè)置無源或有源濾波器，設(shè)置屏蔽外殼并接地，采用軟開關(guān)技術(shù)和變頻控制技術(shù)等。
開關(guān)電源中，EMI產(chǎn)生的根本原因在于存在著電流、電壓的高頻急劇變化，其通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)，以及電感、電容的耦合形成傳導(dǎo)EMI。同而電流、電壓的變化必定伴有磁場、電場的變化，因此，導(dǎo)致了輻射EMI。本文著重分析變壓器中共模傳導(dǎo)EMI產(chǎn)生的機(jī)理，并以此為依據(jù)，闡述了變壓器中不同的屏蔽層設(shè)置方式對共模傳導(dǎo)EMI的抑制效果。
1高頻變壓器中傳導(dǎo)EMI產(chǎn)生機(jī)理
以反激式變換器為例，其主電路如圖1所示。
開關(guān)管開通后，變壓器一次側(cè)電流逐漸增加，磁芯儲能也隨之增加。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷后，二次側(cè)整流二極管導(dǎo)通，變壓器儲能被耦合到二次側(cè)，給負(fù)載供電。
在開關(guān)電源中，輸入整流后的電流為尖脈沖電流，開關(guān)開通和關(guān)斷時變換器中電壓、電流變化率很高，這些波形中含有豐富的高頻諧波。另外，在主開關(guān)管開關(guān)過程和整流二極管反向恢復(fù)過程中，電路的寄生電感、電容會發(fā)生高頻振蕩，以上這些都是電磁干擾的來源。開關(guān)電源中存在大量的分布電容，這些分布電容給電磁干擾的傳遞提供了通路，如圖2所示。圖2中，LISN為線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，用于線路傳導(dǎo)干擾的測量。干擾信號通過導(dǎo)線、寄生電容等傳遞到變換器的輸入、輸出端，形成了傳導(dǎo)干擾。變壓器的各繞組之間也存在著大量的寄生電容，如圖3所示。圖3中，A、B、C、D4點與圖1中標(biāo)識的4點相對應(yīng)。
在圖1所示的反激式開關(guān)電源中，變換器工作于連續(xù)模式時，開關(guān)管VT導(dǎo)通后，B點電位低于A點，一次繞組匝間電容便會充電，充電電流由A流向B;VT關(guān)斷后，寄生電容反向充電，充電電流由B流向A。這樣，變壓器中便產(chǎn)生了差模傳導(dǎo)EMI。同時，電源元器件與大地之間的電位差也會產(chǎn)生高頻變化。由于元器件與大地、機(jī)殼之間存在著分布電容，便產(chǎn)生了在輸入端與大地、機(jī)殼所構(gòu)成回路之間流動的共模傳導(dǎo)EMI電流。
具體到變壓器中，一次繞組與二次繞組之間的電位差也會產(chǎn)生高頻變化，通過寄生電容的耦合，從而產(chǎn)生了在一次側(cè)與二次側(cè)之間流動的共模傳導(dǎo)EMI電流。交流等效回路及簡化等效回路如圖4所示。圖4中：ZLISN為線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗；CP為變壓器一次繞組與二次繞組間的寄生電容；ZG為大地不同點間的等效阻抗；CSG為輸出回路與地間的等效電容；Z為變壓器以外回路的等效阻抗。
