開(kāi)關(guān)電源中變壓器線圈間的屏蔽層對(duì)產(chǎn)品EMI的影響

如圖所示，由于變壓器結(jié)構(gòu)上的特殊性，在變壓器初、次級(jí)之間是有分布電容的存在，這也是漏磁存在的原因之一。

本文主要簡(jiǎn)要分析開(kāi)關(guān)電源中變壓器初、次級(jí)線圈之間的屏蔽層對(duì)產(chǎn)品EMI的影響。

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Part 1? ? ?

現(xiàn)象描述

我們常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：

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其中使用的變壓器初次級(jí)線圈之間用屏蔽材料（銅箔）進(jìn)行屏蔽，并且屏蔽層通過(guò)導(dǎo)線接至初級(jí)線圈的參考地平面。如下圖所示：

對(duì)該開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行輻射發(fā)射和傳導(dǎo)騷擾測(cè)試，可以順利通過(guò)EN55022標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的 CLASSＢ的限值要求，其測(cè)試幅頻曲線如下所示：

使用帶屏蔽隔離變壓器時(shí)的輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果圖

使用帶屏蔽隔離變壓器時(shí)的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試結(jié)果圖

我們將其中使用的隔離變壓器改成非屏蔽的變壓器，再次進(jìn)行輻射發(fā)射和傳導(dǎo)騷擾的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)測(cè)試都超限值了，結(jié)果如下：

使用非屏蔽變壓器時(shí)輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果

使用非屏蔽變壓器時(shí)傳導(dǎo)騷擾測(cè)試結(jié)果

究竟為什么屏蔽層起了這么大作用呢？下面我們從開(kāi)關(guān)電源工作原理開(kāi)始分析。

Part 2

原因分析

開(kāi)關(guān)電源，顧名思義，是通過(guò)控制功率管的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓值的變換，其簡(jiǎn)要工作框圖如下所示，后面有機(jī)會(huì)再詳細(xì)介紹開(kāi)關(guān)電源工作原理。

對(duì)開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)， 開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾是開(kāi)關(guān)電源的主要騷擾源之一。

開(kāi)關(guān)電路是開(kāi)關(guān)電源的核心，主要由功率開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器組成。功率管開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生較大輻度的脈沖（類似PWM波）， 這種波形頻帶較寬且有豐富的諧波。其騷擾傳播示意圖如下圖所示：

這種騷擾的原理如下：

開(kāi)關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器的初級(jí)線圈， 是感性負(fù)載。

在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通瞬間， 初級(jí)線圈中的電流變化率最大，這時(shí)會(huì)在初級(jí)線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓。

在開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)瞬間， 由于初級(jí)線圈的漏磁通， 致使一部分能量沒(méi)有從初級(jí)傳輸?shù)酱渭?jí)， 儲(chǔ)存在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、 電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩， 疊加在關(guān)斷電壓上， 就形成了關(guān)斷電壓尖峰。?

這種功率管的關(guān)斷，會(huì)產(chǎn)生與初級(jí)線圈接通時(shí)一樣的比較大的電流變化率，進(jìn)而產(chǎn)生較大的干擾噪聲（U=L*di/dt），這個(gè)噪聲會(huì)通過(guò)容性耦合（分布電容）的方式傳導(dǎo)到輸入/輸出端， 形成傳導(dǎo)騷擾。

隔離變壓器初級(jí)線圈，功率開(kāi)關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開(kāi)關(guān)電流環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射騷擾。如圖中2號(hào)路徑，因此這個(gè)地方的Layout非常重要，要盡量減少此處環(huán)路的面積。

如果濾波電容容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻特性阻抗會(huì)使高頻電流以差模的方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)騷擾。

變壓器的初、次級(jí)之間存在分布電容， 使得初級(jí)回路中產(chǎn)生的騷擾向次級(jí)回路傳遞，如下圖所示：

在圖中可以看出，這種分布電容一方面會(huì)加大騷擾的傳遞路徑，還會(huì)使得LISN接收到更多的電流，使得傳導(dǎo)騷擾測(cè)試超過(guò)限值。上圖的等效電路如下圖所示：

如果在變壓器中增加屏蔽層，并與初級(jí)回路的參考地相接，如圖下圖所示：

這相當(dāng)于截?cái)嗔蓑}擾向后傳遞的路徑，減小了騷擾傳遞的環(huán)路面積，進(jìn)而抑制了傳導(dǎo)發(fā)射騷擾與輻射發(fā)射騷擾，其等效電路圖如下所示：

圖中的A點(diǎn)即為前面圖中介紹的屏蔽層的位置。

Part 3

處理措施

從前面的分析中，我們可以看出，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源中如果有輻射發(fā)射和傳導(dǎo)騷擾的情況出現(xiàn)，可以做如下處理：

檢查變壓器是否為非屏蔽變壓器，如果是非屏蔽變壓器，建議更換成屏蔽的，并保證屏蔽層接初級(jí)線圈的參考地。

為了保證發(fā)揮屏蔽層良好的隔離作用，屏蔽層與參考地連接要保證“零阻抗”，這是判斷屏蔽效果好壞的關(guān)鍵。

實(shí)踐證明，沒(méi)有任何縫隙或通孔的單一金屬導(dǎo)體，長(zhǎng)寬比小于５，具有極低的阻抗。

Part 4

思考和啟示

經(jīng)過(guò)上面的分析，我們可以得到如下啟示：

帶屏蔽的變壓器， 可以有效地抑制開(kāi)關(guān)電源中共模噪聲向后一級(jí)電路的傳輸。

這種屏蔽不是一般意義上的電磁屏蔽，而是一種靜電屏蔽，屏蔽層要求接地（或接參考地，或接另一極）。

電磁屏蔽所用的導(dǎo)體原則上可以不接地，但對(duì)于靜電屏蔽來(lái)說(shuō)，不接地的屏蔽導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生所謂 “負(fù)靜電屏蔽” 效應(yīng)，會(huì)累積電荷。

如功率開(kāi)關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗，為了散熱往往會(huì)安裝散熱器，散熱器和元器件之間通常會(huì)填充導(dǎo)熱絕緣材料（如導(dǎo)熱硅脂），因此散熱器和器件之間以及散熱器和底板之間會(huì)產(chǎn)生分布電容，即上圖中的Cp?，該分布電容會(huì)將電磁騷擾耦合到交流電源的輸入端形成共模干擾，所以通常會(huì)將散熱器接參考地。

散熱器接地還避免了散熱器懸空形成懸空金屬，從而導(dǎo)致的輻射發(fā)射超標(biāo)，懸空金屬對(duì)輻射發(fā)射的影響請(qǐng)參考前面的文章《EMC測(cè)試案例分析——懸空金屬對(duì)輻射發(fā)射的影響》。

編輯：黃飛