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的必要措施[1]。但是，僅僅依靠電源輸入端的濾波器來抑製幹擾往往會導致濾波器中元件的電感量增加和電容量增大。而電感量的增加使體積增加
；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)。
 

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：設備在與供電電網連接工作時以噪聲電流的形式通過電源線傳導到公共電網環境中去的電磁幹擾。傳導幹擾分為共模幹擾與差模幹擾 兩種。共模幹擾電流在零線與相線上的相位相等
；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。

反激式開關電源的電路中存在一些電壓劇變的節點。和電路中其他電勢相對穩定的節點不同，這些節點的電壓包含高強度的高頻成分[2]。 zhexiedianyabianhuashifenhuoyuedejiedianchengweizaoshenghuoyuejiedian。zaoshenghuoyuejiedianshikaiguandianyuandianluzhongdegongmochuandaoganraoyuan，tazuoyongyudianluzhongdeduidizasandianrongjiuchanshenggongmozaoshengdianliuICM 。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1
、共模噪聲電流在電路中的耦合途徑
 

圖1中的共模電流ICM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Cde耦合到地
；從噪聲源通過Cpa耦合到變壓器次級電路，再通過Cae 耦合到地；從變壓器的前、次級線圈通過Cpc
、Cac 耦合到變壓器磁芯
，再通過Cce 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。

隔離變壓器的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[3]，如圖2所示。

圖2、變壓器隔離層對噪聲電流的影響
 

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)。

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Uin 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。
 

圖3

、噪聲電流在變壓器內部的耦合情況
 

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Uin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。
 

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，變壓器繞製的最終方法應如圖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。
 

解決方案的實驗驗證
 

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。

實驗按照文獻[4]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dBμV[5]。

 

圖4、變壓器改進繞法細節

 

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
、變壓器設計改進前後的噪聲頻譜
 

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。

 

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。