中心議題：

• 反激式開關電源的共模傳導幹擾的產生和傳播機理
• 隔離變壓器的EMC設計

解決方案：

• 噪聲電壓活躍節點相位平衡法

對於帶變壓器拓撲結構的開關電源來說，變壓器的電磁兼容性(EMC)設計對整個開關電源的EMC水平影響較大。本文以一款反激式開關電源為例，闡述了其傳導共模幹擾的產生、傳播機理。根據噪聲活躍節點平衡的思想，提出了一種新的變壓器EMC設計方法。通過實驗驗證，與傳統的設計方法相比，該方法對傳導電磁幹擾(EMI)的抑製能力更強，且能降低變壓器的製作成本和工藝複雜程度。本方法同樣適用於其他形式的帶變壓器拓撲結構的開關電源。

隨著功率半導體器件技術的發展，開關電源高功率體積比和高效率的特性使得其在現代軍事
、工業和商業等各級別的儀器設備中得到廣泛應用，並且隨著時鍾頻率的不斷提高
，設備的電磁兼容性(EMC)問題引起人們的廣泛關注。EMC設計已成為開關電源開發設計中必不可少的重要環節。

傳導電磁幹擾(EMI)噪聲的抑製必須在產品開發初期就加以考慮。通常情況下，加裝電源線濾波器是抑製傳導EMI的de必bi要yao措cuo施shi。但dan是shi，僅jin僅jin依yi靠kao電dian源yuan輸shu入ru端duan的de濾lv波bo器qi來lai抑yi製zhi幹gan擾rao往wang往wang會hui導dao致zhi濾lv波bo器qi中zhong元yuan件jian的de電dian感gan量liang增zeng加jia和he電dian容rong量liang增zeng大da。而er電dian感gan量liang的de增zeng加jia使shi體ti積ji增zeng加jia;電(dian)容(rong)量(liang)的(de)增(zeng)大(da)受(shou)到(dao)漏(lou)電(dian)流(liu)安(an)全(quan)標(biao)準(zhun)的(de)限(xian)製(zhi)。電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)其(qi)他(ta)部(bu)分(fen)如(ru)果(guo)設(she)計(ji)恰(qia)當(dang)也(ye)可(ke)以(yi)完(wan)成(cheng)與(yu)濾(lv)波(bo)器(qi)相(xiang)似(si)的(de)工(gong)作(zuo)。本(ben)文(wen)提(ti)出(chu)了(le)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)噪(zao)聲(sheng)活(huo)躍(yue)節(jie)點(dian)相(xiang)位(wei)幹(gan)燥(zao)繞(rao)法(fa)

，這(zhe)種(zhong)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)不(bu)僅(jin)能(neng)減(jian)少(shao)電(dian)源(yuan)線(xian)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)體(ti)積(ji)，還(hai)能(neng)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)。

1 反激式開關電源的共模傳導幹擾

電子設備的傳導噪聲幹擾指的是：shebeizaiyugongdiandianwanglianjiegongzuoshiyizaoshengdianliudexingshitongguodianyuanxianchuandaodaogonggongdianwanghuanjingzhongqudedianciganrao。chuandaoganraofenweigongmoganraoyuchamoganraoliangzhong。gongmoganraodianliuzailingxianyuxiangxianshangdexiangweixiangdeng;差模幹擾電流在零線與相線上的相位相反。差模幹擾對總體傳導幹擾的貢獻較小，且主要集中在噪聲頻譜低頻端，較容易抑製;共模幹擾對傳導幹擾的貢獻較大，且主要處在噪聲頻譜的中頻和高頻頻段。對共模傳導幹擾的抑製是電子設備傳導EMC設計中的難點
，也是最主要的任務。

反(fan)激(ji)式(shi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)電(dian)路(lu)中(zhong)存(cun)在(zai)一(yi)些(xie)電(dian)壓(ya)劇(ju)變(bian)的(de)節(jie)點(dian)。和(he)電(dian)路(lu)中(zhong)其(qi)他(ta)電(dian)勢(shi)相(xiang)對(dui)穩(wen)定(ding)的(de)節(jie)點(dian)不(bu)同(tong)
，這(zhe)些(xie)節(jie)點(dian)的(de)電(dian)壓(ya)包(bao)含(han)高(gao)強(qiang)度(du)的(de)高(gao)頻(pin)成(cheng)分(fen)。這(zhe)些(xie)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)十(shi)分(fen)活(huo)躍(yue)的(de)節(jie)點(dian)稱(cheng)為(wei)噪(zao)聲(sheng)活(huo)躍(yue)節(jie)點(dian)。噪(zao)聲(sheng)活(huo)躍(yue)節(jie)點(dian)是(shi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)共(gong)模(mo)傳(chuan)導(dao)幹(gan)擾(rao)源(yuan)，它(ta)作(zuo)用(yong)於(yu)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)對(dui)地(di)雜(za)散(san)電(dian)容(rong)就(jiu)產(chan)生(sheng)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)電(dian)流(liu)M 。而電路中對EMI影響較大的對地雜散電容有：功率開關管的漏極對地的寄生電容Cde，變壓器的主邊繞組對副邊繞組的寄生電容Cpa
，變壓器的副邊回路對地的寄生電容Cae，變壓器主
、副邊繞組對磁芯的寄生電容Cpc、Cac以及變壓器磁芯對地的寄生電容Cce，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
，開關管d極ji的de噪zao聲sheng電dian壓ya通tong過guo變bian壓ya器qi的de寄ji生sheng電dian容rong將jiang噪zao聲sheng電dian流liu耦ou合he到dao變bian壓ya器qi副fu邊bian繞rao組zu所suo在zai的de回hui路lu
，再zai通tong過guo次ci級ji回hui路lu對dui地di的de寄ji生sheng電dian容rong耦ou合he到dao地di也ye是shi共gong模mo電dian流liu產chan生sheng的de途tu徑jing。因yin此ci設she法fa減jian小xiao從cong變bian壓ya器qi主zhu邊bian繞rao組zu傳chuan遞di到dao副fu邊bian繞rao組zu間jian的de共gong模mo電dian流liu是shi一yi種zhong有you效xiao的deEMC設計方法。傳統的變壓器EMC設計方法是在兩繞組間添加隔離層，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定的節點
，比如將圖2中(zhong)的(de)隔(ge)離(li)層(ceng)連(lian)接(jie)到(dao)電(dian)路(lu)前(qian)級(ji)的(de)負(fu)極(ji)就(jiu)是(shi)一(yi)個(ge)很(hen)好(hao)的(de)接(jie)法(fa)。這(zhe)樣(yang)的(de)連(lian)接(jie)能(neng)把(ba)原(yuan)本(ben)流(liu)向(xiang)大(da)地(di)的(de)共(gong)模(mo)電(dian)流(liu)有(you)效(xiao)分(fen)流(liu)，從(cong)而(er)大(da)大(da)降(jiang)低(di)電(dian)源(yuan)線(xian)的(de)傳(chuan)導(dao)噪(zao)聲(sheng)發(fa)射(she)水(shui)平(ping)。

2.2 節點相位平衡法

在電路中
，噪聲電壓活躍節點並不是單一的。以本文分析的電路為例：除功率開關管的d極外
，變壓器前級繞組的另一端U 也是一個噪聲電壓活躍節點
，而且節點電壓的變化方向與場管的d極電壓情況相反。所以變壓器次級繞組的兩端是相位相反的噪聲電壓活躍節點。圖3所示的是采用節點相位平衡法後，變壓器骨架上的線圈分布情況。

變壓器骨架最內層是前級繞組線圈的一半

，與功率開關管的d極相連;中間層的線圈是次級繞組;最外層是前級繞組的另一半
，與節點U. 相連。由於噪聲電流主要通過前後級線圈層之間的寄生電容耦合，把前、後hou級ji線xian圈quan方fang向xiang相xiang反fan的de噪zao聲sheng活huo躍yue節jie點dian成cheng對dui地di繞rao在zai內nei外wai層ceng相xiang對dui位wei置zhi就jiu能neng使shi大da部bu分fen的de噪zao聲sheng電dian流liu相xiang互hu抵di消xiao，大da大da降jiang低di了le最zui終zhong耦ou合he到dao次ci級ji的de噪zao聲sheng電dian流liu的de強qiang度du。
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本(ben)文(wen)討(tao)論(lun)的(de)電(dian)路(lu)中(zhong)還(hai)存(cun)在(zai)前(qian)級(ji)電(dian)路(lu)和(he)次(ci)級(ji)電(dian)路(lu)的(de)輔(fu)助(zhu)電(dian)源(yuan)，它(ta)們(men)也(ye)是(shi)由(you)繞(rao)在(zai)變(bian)壓(ya)器(qi)上(shang)的(de)獨(du)立(li)線(xian)圈(quan)提(ti)供(gong)能(neng)量(liang)的(de)。這(zhe)兩(liang)級(ji)輔(fu)助(zhu)線(xian)圈(quan)的(de)存(cun)在(zai)給(gei)噪(zao)聲(sheng)電(dian)流(liu)的(de)傳(chuan)播(bo)提(ti)供(gong)了(le)額(e)外(wai)的(de)途(tu)徑(jing)。輔(fu)助(zhu)線(xian)圈(quan)是(shi)為(wei)了(le)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)的(de)供(gong)電(dian)設(she)計(ji)的(de)。盡(jin)管(guan)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)本(ben)身(shen)的(de)功(gong)率(lv)很(hen)小(xiao)，但(dan)它(ta)們(men)的(de)存(cun)在(zai)卻(que)增(zeng)大(da)了(le)電(dian)路(lu)對(dui)地(di)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)，從(cong)而(er)分(fen)擔(dan)了(le)一(yi)部(bu)分(fen)把(ba)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)從(cong)活(huo)躍(yue)節(jie)點(dian)耦(ou)合(he)到(dao)地(di)的(de)工(gong)作(zuo)。然(ran)而(er)把(ba)這(zhe)些(xie)繞(rao)組(zu)夾(jia)在(zai)前(qian)級(ji)線(xian)圈(quan)和(he)次(ci)級(ji)線(xian)圈(quan)的(de)繞(rao)組(zu)中(zhong)間(jian)就(jiu)能(neng)增(zeng)大(da)前(qian)後(hou)級(ji)繞(rao)組(zu)的(de)距(ju)離(li)
，從(cong)而(er)它(ta)們(men)的(de)層(ceng)間(jian)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)就(jiu)減(jian)小(xiao)了(le)，噪(zao)聲(sheng)電(dian)流(liu)就(jiu)能(neng)相(xiang)應(ying)減(jian)小(xiao)。因(yin)此(ci)
，變(bian)壓(ya)器(qi)繞(rao)製(zhi)的(de)最(zui)終(zhong)方(fang)法(fa)應(ying)如(ru)圖(tu)4所示。從內到外的線圈繞組依次是：前級繞組的一半、輔助繞組的一半、後級繞組、輔助繞組的另一半和前級繞組的另一半。

3 實驗部分

變壓器改進繞法對開關電源的傳導EMC性能提高的有效性可以通過實驗得到驗證。

3.1 實驗方法

實驗按照文獻[43中的電壓法進行。頻段範圍為0.15～30 MHz;頻譜分析儀的檢波方式為準峰值檢波;測量帶寬為9 kHz;頻譜橫軸(頻率)取對數形式;噪聲信號的單位為dB/~Vl5j

3.2 實驗結果

圖5為變壓器設計改進前後實驗樣品的傳導噪聲頻譜對比。

圖5中的上下兩條平行折線分別為國際無線電幹擾特別委員會(簡稱CISPR)頒布的CISPR22標準中b級要求的準峰值檢波限值和平均值檢波限值;而曲線為開關電源的傳導噪聲頻譜。從實驗結果可以看出：與傳統方法相比，新方法有著更出色的對共模噪聲電流的抑製能力

，尤其在中頻1～ 5MHz的頻段。在較低頻段，電源線上的傳導幹擾主要是差模電流引起的;而在中高頻段，共模電流起主要作用。而本文提出的方法對共模電流的抑製較強，實驗和理論是相符合的。在10 MHz以上的頻段，主要由電路中的其他寄生參數決定EMC性能，與變壓器關係不大。

4 結束語

開關電源電路中的噪聲活躍節點是電路中的共模噪聲源。要降低開關電源的傳導幹擾水平，實際上是減小共模電流強度、增大噪聲源的對地阻抗。在傳統的隔離式EMC設計中，隔離層連接到電路中電位穩定的節點上(如：變壓器前級的負極)要比直接連到地線對EMI幹擾的抑製更有效。

開關電源電路中的噪聲活躍節點通常都是成對存在的，這些成對節點之間的相位相反，利用這一特點活躍節點相位平衡繞法對EMI抑製的有效性高於傳統的隔離式設計。由於不需要添加隔離金屬層，變壓器的體積與成本都能被有效減小或降低。