两种开关电源变压器EMC设计方案分享

对于电源变压器的新产品研发环节来说，EMC抗干扰设计是其中非常重要的一环，也是每个工程师都需要严禁对待的设计步骤。EMC设计方案的设置合理与否，直接关系到开关电源变压器的工作效率和能耗控制。今天我们将会分享两种实用性较强的电源变压器EMC设计方案，大家一其来看看吧。

在分享电源变压器的EMC设计方案之前，首先我们需要了解的一个概念是，究竟什么是传导噪声。在目前电子设备研发领域中，所谓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的电磁干扰。在开关电源变压器的实际抗干扰设置中，这种传导干扰又能够细分为共模干扰与差模干扰两种干扰模式。共模干扰电流在零线与相线上的相位相等，而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。

就目前国内的反激式开关电源应用情况来看，大部分的开关电源电路中都会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。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噪声电流M。而电路中对EMI影响较大的寄生电容在电路中的分布如图1所示。

图1

从图1中可以看到，在该电路系统中，共模电流在电路中的耦合途径主要有3条，分别是从噪声源——功率开关管的d极通过C耦合到地；从噪声源通过c。耦合到变压器次级电路，再通过C耦合到地；从变压器的前、次级线圈通过C耦合到变压器磁芯，再通过C耦合到地。这3种电流是构成共模噪声电流（上图中的黑色箭头所示）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。

在了解了共模噪声电流的形成原因和传导噪声的产生情况后，接下来我们将会针对开关电源变压器的噪声抑制展开EMC设计。在图1的电路系统中，共模噪声的产生有两种路径，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之一。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，其具体的电路设置如下图2所示。

图2

但是使用这种EMC设计方案有一个缺点，那就是金属隔离层直接连接地线的设计会增大共模噪声电流，从而会简介导致EMC性能变差。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。

第二种比较实用的开关电源变压器EMC设置方案，是采用节点相位平衡法，完成对共模噪声的抑制。还是以图1中的电路图为例子，在图1中的电路中，除功率开关管的d极外，变压器前级绕组的另一端U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。下图图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。

图3

从图3中我们可以看到，在这一电源变压器骨架的最内层，是前级绕组线圈的一半，与功率开关管的d极相连。中间层的线圈是次级绕组。最外层是前级绕组的另一半，与节点U.相连。由于噪声电流主要通过前后级线圈层之间的寄生电容耦合，把前、后级线圈方向相反的噪声活跃节点成对地绕在内外层相对位置就能使大部分的噪声电流相互抵消，大大降低了最终耦合到次级的噪声电流的强度。

图4

在图3所设计的开关电源变压器EMC方案电路图中，依旧还存在前级电路和次级电路的辅助电源，它们也是由绕在变压器上的独立线圈提供能量的。然而，这两级辅助线圈的存在也同样给噪声电流的传播提供了额外的途径。因此，我们可以选择将这些绕组夹在前级线圈和次级线圈的绕组中间，这样做能够有效的增大前后级绕组的距离，从而它们的层间寄生电容就减小了，噪声电流就能相应减小。因此，变压器绕制的最终方法应如图4所示。从内到外的线圈绕组依次是：前级绕组的一半、辅助绕组的一半、后级绕组、辅助绕组的另一半和前级绕组的另一半。