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反激式开关电源的变压器EMC设计

文章来源: PG电子发布时间:2021-08-24 00:41
本文摘要:根据噪声活跃节点均衡的思想,明确提出了一种新的变压器EMC设计方法。通过实验检验,与传统的设计方法比起,该方法对传导电磁干扰(EMI)的诱导能力更加强劲,且能减少变压器的制作成本和工艺复杂程度。本方法某种程度限于于其他形式的带上变压器流形结构的开关电源。 随着功率半导体器件技术的发展,开关电源高功率体积比和高效率的特性使得其在现代军事、工业和商业等各级别的仪器设备中获得广泛应用,并且随着时钟频率的大大提升,设备的电磁兼容性(EMC)问题引发人们的普遍注目。

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根据噪声活跃节点均衡的思想,明确提出了一种新的变压器EMC设计方法。通过实验检验,与传统的设计方法比起,该方法对传导电磁干扰(EMI)的诱导能力更加强劲,且能减少变压器的制作成本和工艺复杂程度。本方法某种程度限于于其他形式的带上变压器流形结构的开关电源。

  随着功率半导体器件技术的发展,开关电源高功率体积比和高效率的特性使得其在现代军事、工业和商业等各级别的仪器设备中获得广泛应用,并且随着时钟频率的大大提升,设备的电磁兼容性(EMC)问题引发人们的普遍注目。EMC设计已沦为开关电源开发设计中必不可少的重要环节。  传导电磁干扰(EMI)噪声的诱导必需在产品开发初期就加以考虑到。

一般来说情况下,安装电源线滤波器是诱导传导EMI的必要措施l1l。但是,意味着依赖电源输出端的滤波器来诱导阻碍往往不会造成滤波器中元件的电感量减少和电容量减小。而电感量的减少使体积减少;电容量的减小受到溢电流安全性标准的容许。

电路中的其他部分如果设计合理也可以已完成与滤波器相近的工作。本文明确提出了变压器的噪声活跃节点振幅潮湿绕法,这种设计方法不仅能增加电源线滤波器的体积,还能降低成本。

  1反激式开关电源的共模传导阻碍  电子设备的传导噪声阻碍所指的是:设备在与供电电网相连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。传导阻碍分成共模阻碍与差模阻碍两种。共模阻碍电流在零线与相线上的振幅大于;差模阻碍电流在零线与相线上的振幅忽略。

差模阻碍对总体传导阻碍的贡献较小,且主要集中于在噪声频谱低频末端,较更容易诱导;共模阻碍对传导阻碍的贡献较小,且主要处在噪声频谱的中频和高频频段。对共模传导阻碍的诱导是电子设备传导EMC设计中的难题,也是最主要的任务。  反激式开关电源的电路中不存在一些电压剧变的节点。

和电路中其他电势比较平稳的节点有所不同,这些节点的电压包括高强度的高频成分[2]。这些电压变化十分活跃的节点称作噪声活跃节点。

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噪声活跃节点是开关电源电路中的共模传导干扰源,它起到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影响较小的对地谓之骑侍郎电容有:功率电源管的漏极对地的寄生电容C变压器的主边绕组对副边绕组的寄生电容Cp;变压器的副边电路对地的寄生电容C变压器主、副边绕组对磁芯的寄生电容C。、C以及变压器磁芯对地的寄生电容C?这些寄生电容在电路中的产于如图1右图。    图l中的共模电流,在电路中的耦合途径主要有3条:从噪声源功率电源管的d近于通过C耦合到地;从噪声源通过c。

耦合到变压器次级电路,再行通过C耦合到地;从变压器的前、次级线圈通过C?C耦合到变压器磁芯,再行通过C耦合到地。这3种电流是包含共模噪声电流(图1中的黑色箭头右图)的主要因素。

共模电流通过电源线输出端的地线转往,从而被LISN采样测量获得。  2隔绝变压器的EMC设计  2.1传统变压器EMC设计  共模噪声的耦合除了通过场效应管d极对地这条途径外,电源管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电路,再行通过次级电路对地的寄生电容耦合到地也是共模电流产生的途径。因此设法增大从变压器主边绕组传送到副边绕组间的共模电流是一种有效地的EMC设计方法。

传统的变压器EMC设计方法是在两绕组间加到隔绝层[3],如图2右图。    金属隔绝层必要连接地线的设计不会减小共模噪声电流,使EMC性能变差。隔绝层应当是电路中电位平稳的节点,比如将图2中的隔绝层相连到电路前级的负极就是一个很好的永久磁铁。这样的相连能把原本流向大地的共模电流有效地分流,从而大大降低电源线的传导噪声升空水平。

  2.2节点振幅均衡法  在电路中,噪声电压活跃节点并不是单一的。以本文分析的电路为事例:除功率电源管的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近于电压情况忽略。所以变压器次级绕组的两端是振幅忽略的噪声电压活跃节点。

图3右图的是使用节点振幅均衡法后,变压器骨架上的线圈产于情况。    变压器骨架最内层是前级绕组线圈的一半,与功率电源管的d近于连接;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.连接。

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、后级线圈方向忽略的噪声活跃节点交替地绕行在内外层比较方位就能使大部分的噪声电流互相抵销,大大降低了最后耦合到次级的噪声电流的强度。  本文辩论的电路中还不存在前级电路和次级电路的辅助电源,它们也是由绕行在变压器上的独立国家线圈获取能量的。

这两级辅助线圈的不存在给噪声电流的传播获取了额外的途径。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较小,但它们的不存在却减小了电路对地的寄生电容,从而承担了一部分把共模噪声从活跃节点耦合到地的工作。

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然而把这些绕组垫在前级线圈和次级线圈的绕组中间就能减小前后级绕组的距离,从而它们的层间寄生电容就增大了,噪声电流就能适当增大。因此,变压器绕制的最后方法应如图4右图。

从内到外的线圈绕组依序是: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  变压器改良绕法对开关电源的传导EMC性能提升的有效性可以通过实验获得检验。  3.1实验方法  实验按照文献[43中的电压法展开。

频段范围为0.15~30MHz;频谱分析仪的检波方式不尽相同峰值检波;测量比特率为9kHz;频谱横轴(频率)所取对数形式;噪声信号的单位为dB/~Vl5j  3.2实验结果  图5为变压器设计改良前后实验样品的传导噪声频谱对比。    图5中的上下两条平行折线分别为国际无线电阻碍尤其委员会(全称CISPR)施行的CISPR22标准中b级拒绝的定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。

从实验结果可以显现出:与传统方法比起,新方法具有更加出众的对共模噪声电流的诱导能力,特别是在在中频1~5MHz的频段。在较低频段,电源线上的传导阻碍主要是差模电流引发的;而在中高频段,共模电流起主要起到。而本文明确提出的方法对共模电流的诱导较强,实验和理论是相符合的。

在10MHz以上的频段,主要由电路中的其他宿主参数要求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。要减少开关电源的传导阻碍水平,实质上是增大共模电流强度、减小噪声源的对地电阻。

在传统的隔绝式EMC设计中,隔绝层相连到电路中电位平稳的节点上(如:变压器前级的负极)要比必要连到地线对EMI阻碍的诱导更加有效地。  开关电源电路中的噪声活跃节点一般来说都是出对不存在的,这些成对节点之间的振幅忽略,利用这一特点活跃节点振幅均衡绕法对EMI诱导的有效性低于传统的隔绝式设计。由于不必须加到隔绝金属层,变压器的体积与成本都能被有效地增大或减少。


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