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电子产品类-开关电源系统变压器的屏蔽层技术抑制EMI的设计

导读: 开关电源中,EMI产生的根本原因在于存在着电流、电压的高频急剧变化,其通过导线的传导,以及电感、电容的耦合形成传导EMI。从而电流、电压的变化必定伴有磁场、电场的变化,因此,导致了辐射EMI。

EMC在电子产品/设备已经成为可靠性的重要组成部分;将越来越被重视!特别对于我们的工业&消费类产品要求满足其相应的认证和出口要求,对应的国家政策也在不断完善;同时国际贸易的深化发展;EMC技术成为电子产品/设备必过的硬性指标!

目前开关电源由于其体积小,效率高在电子产品&设备中被广泛应用。我的《开关电源:EMC的分析与设计》这门课程帮助了很多人都很轻松解决了开关电源中碰到的EMI问题;我再将开关电源变压器屏蔽技术解决问题的思路分享给大家

以反激式开关电源为例,在分析其高频变压器形成共模传导EMI 机理的基础上,分析在变压器设计中设置屏蔽层以抑制共模传导EMI 的原理。试验测试表明,屏蔽层的设置可以有效地抑制高频开关电源的共模传导EMI。由此进一步研究了屏蔽层在其他类型开关电源中的应用。

电磁兼容-EMC是指电子设备或系统在电磁环境下能正常工作,且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。它包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感(EMS)两方面。由于开关电源中存在很高的di/dt 和du/dt,因此,所有拓扑形式的开关电源都有电磁干扰的问题。目前克服电磁干扰的技术手段主要有:在电源的输入、输出端设置无源或有源滤波器,设置屏蔽外壳并接地,采用软开关技术和变频控制技术等。

开关电源中,EMI产生的根本原因在于存在着电流、电压的高频急剧变化,其通过导线的传导,以及电感、电容的耦合形成传导EMI。从而电流、电压的变化必定伴有磁场、电场的变化,因此,导致了辐射EMI。我们重分析变压器中共模传导EMI 产生的机理,并以此为依据,研究变压器中不同的屏蔽层设置方式对共模传导EMI 的抑制效果。

高频变压器中传导EMI 产生机理

以反激式变换器为例,其电路如下图所示。

开关管开通后,变压器一次侧电流逐渐增加,磁芯储能也随之增加。当开关管关断后,输出二次侧整流二极管导通,变压器储能被耦合到二次侧,给负载供电。

在开关电源中,输入整流后的电流为尖脉冲电流,开关开通和关断时变换器中电压、电流变化率很高,这些波形中含有丰富的高频谐波。另外,在主开关管开关过程和整流二极管反向恢复过程中,电路的寄生电感、电容会发生高频振荡,以上这些都是电磁干扰的来源。开关电源中存在大量的分布电容,这些分布电容给电磁干扰的传递提供了通路,如下图所示。LISN 为线性阻抗稳定网络,用于线路传导干扰的测量。干扰信号通过导线、寄生电容等传递到变换器的输入、输出端,形成了传导干扰。变压器的各绕组之间也存在着大量的寄生电容!

LY-开关电源寄生电容典型的分布

FLY结构的开关电源系统,变换器的开关MOS管工作于高速开关状态如下:

变压器在开关MOS管开通时,回路电流线性上升;MOS管关断时回路电流快速关断,电源线的电流为高频的三角波脉动电流,含有丰富的高频谐波电流;便产生了差模传导EMI。同时,电源元器件与大地之间的电位差也会产生高频变化。由于元器件与大地、机壳之间存在着分布电容,便产生了在输入端与大地、机壳所构成回路之间流动的共模传导EMI 电流。

具体到变压器中,一次绕组与二次绕组之间的电位差也会产生高频变化,通过寄生电容的耦合,从而产生了在一次侧与二次侧之间流动的共模传导EMI电流。交流等效回路及简化等效回路如下图所示。

图中:ZLISN为线性阻抗稳定网络的等效阻抗;CP为变压器一次绕组与二次绕组间的寄生电容;ZG为大地不同点间的等效阻抗;CSG为输出回路与地间的等效电容;Z 为变压器以外回路的等效阻抗。

变压器中共模传导EMI 的流通回路

变压器中共模传导EMI 数学模型(以初次级两绕组的简化设计图为例进行分析)PI开关电源-变压器设计软件:变压器的屏蔽层技术抑制EMI的设计!

在上图中所示的变压器为例,最上层一次绕组与二次绕组间的寄生电容最大,是产生共模传导EMI 的主要原因,故以下主要分析这两层间分布电容对共模传导EMI 的影响,忽略变压器其他绕组对共模传导EMI 的影响。

设一次绕组有3 层,每层m 匝,二次绕组仅一层,为n匝。当变压器磁芯中的磁通发生变化,便会同时在一次侧和次级产生感应电动势。根据叠加定理,可认为这是仅一次绕组有感应电动势、二次绕组电动势为零和仅二次绕组有感应电动势、一次绕组电动势为零两种情况的叠加。

仅一次绕组有感应电动势、二次绕组电动势为零的情况如下图;e1为每匝一次绕组的感应电动势;C1x为一匝最外层一次绕组与二次绕组间的寄生电容。

变压器的内部结构图

交流等效结构图

仅一次绕组有感应电动势的情况;在此情况下,由一次侧流向次级的共模电流为:

在仅二次绕组有感应电动势、一次绕组电动势为零的情况如下图所示;e2为每匝二次绕组的感应电动势;C2x为一匝二次绕组与一次绕组最外层间的寄生电容。

变压器内部结构图

交流等效结构图

仅二次绕组有感应电动势的情况;在此情况下,由次级流向一次侧的共模电流为:

根据叠加原理,可得在一次侧最外层绕组和次级间流动的共模电流:

屏蔽绕组抑制共模传导EMI原理

通过上图简单绕制变压器,并在交流整流滤波后增设10mH差模滤波电感和差模滤波电容,对开关电源进行传导EMI 测试,如下图传导EMI非常严重,不能通过电磁兼容EMI测试。在交流整流前增设35mH共模滤波电感,传导EMI测试可通过测试。比较测试结果可得出:在上图所示的变压器结构中,主要是由于共模传导EMI,才使开关电源不能通过电磁干扰EMI测试!

变压器内部不设置屏蔽的传导EMI 测试结果

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