反激式开关电源的变压器电磁兼容性设计

变压器骨架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_in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。

本文讨论的电路中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。这两级辅助线圈的存在给噪声电流的传播提供了额外的途径。辅助线圈是为了控制电路的供电设计的。尽管控制电路本身的功率很小，但它们的存在却增大了电路对地的寄生电容，从而分担了一部分把共模噪声从活跃节点耦合到地的工作。然而把这些绕组夹在前级线圈和次级线圈的绕组中间就能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。

3、实验部分

变压器改进绕法对开关电源的传导EMC性能提高的有效性可以通过实验得到验证。

3.1、实验方法

实验按照文献[4]中的电压法进行。频段范围为0.15～30 MHz；频谱分析仪的检波方式为准峰值检波；测量带宽为9 kHz；频谱横轴(频率)取对数形式；噪声信号的单位为dBμV[5]。

图4、变压器改进绕法细节

3.2、实验结果

图5为变压器设计改进前后实验样品的传导噪声频谱对比。

图5、变压器设计改进前后的噪声频谱

图5中的上下两条平行折线分别为国际无线电干扰特别委员会(简称CISPR)颁布的CISPR22标准中b级要求的准峰值检波限值和平均值检波限值；而曲线为开关电源的传导噪声频谱。从实验结果可以看出：与传统方法相比，新方法有着更出色的对共模噪声电流的抑制能力，尤其在中频1～5MHz的频段。在较低频段，电源线上的传导干扰主要是差模电流引起的；而在中高频段，共模电流起主要作用。而本文提出的方法对共模电流的抑制较强，实验和理论是相符合的。在10 MHz以上的频段，主要由电路中的其他寄生参数决定EMC性能，与变压器关系不大。

4、结束语

开关电源电路中的噪声活跃节点是电路中的共模噪声源。要降低开关电源的传导干扰水平，实际上是减小共模电流强度、增大噪声源的对地阻抗。在传统的隔离式EMC设计中，隔离层连接到电路中电位稳定的节点上(如：变压器前级的负极)要比直接连到地线对EMI干扰的抑制更有效。

开关电源电路中的噪声活跃节点通常都是成对存在的，这些成对节点之间的相位相反，利用这一特点活跃节点相位平衡绕法对EMI抑制的有效性高于传统的隔离式设计。由于不需要添加隔离金属层，变压器的体积与成本都能被有效减小或降低。

作者：蔡辰辰、陆元成、邱荣斌，华南理工大学物理系