中心議題：

• 反激式開關電源的共模傳導幹擾的產生和傳播機理
• 隔離變壓器的EMC設計

解決方案：

• 噪聲電壓活躍節點相位平衡法

對於帶變壓器拓撲結構的開關電源來說，變壓器的電磁兼容性(EMC)設計對整個開關電源的EMC水平影響較大。本文以一款反激式開關電源為例，闡述了其傳導共模幹擾的產生
、傳播機理。根據噪聲活躍節點平衡的思想
，提出了一種新的變壓器EMC設計方法。通過實驗驗證，與傳統的設計方法相比，該方法對傳導電磁幹擾(EMI)的抑製能力更強，且能降低變壓器的製作成本和工藝複雜程度。本方法同樣適用於其他形式的帶變壓器拓撲結構的開關電源。

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de必bi要yao措cuo施shi。但dan是shi，僅jin僅jin依yi靠kao電dian源yuan輸shu入ru端duan的de濾lv波bo器qi來lai抑yi製zhi幹gan擾rao往wang往wang會hui導dao致zhi濾lv波bo器qi中zhong元yuan件jian的de電dian感gan量liang增zeng加jia和he電dian容rong量liang增zeng大da。而er電dian感gan量liang的de增zeng加jia使shi體ti積ji增zeng加jia;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。

1 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(she)備(bei)在(zai)與(yu)供(gong)電(dian)電(dian)網(wang)連(lian)接(jie)工(gong)作(zuo)時(shi)以(yi)噪(zao)聲(sheng)電(dian)流(liu)的(de)形(xing)式(shi)通(tong)過(guo)電(dian)源(yuan)線(xian)傳(chuan)導(dao)到(dao)公(gong)共(gong)電(dian)網(wang)環(huan)境(jing)中(zhong)去(qu)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)。傳(chuan)導(dao)幹(gan)擾(rao)分(fen)為(wei)共(gong)模(mo)幹(gan)擾(rao)與(yu)差(cha)模(mo)幹(gan)擾(rao)兩(liang)種(zhong)。共(gong)模(mo)幹(gan)擾(rao)電(dian)流(liu)在(zai)零(ling)線(xian)與(yu)相(xiang)線(xian)上(shang)的(de)相(xiang)位(wei)相(xiang)等(deng);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。

fanjishikaiguandianyuandedianluzhongcunzaiyixiedianyajubiandejiedian。hedianluzhongqitadianshixiangduiwendingdejiedianbutong
，zhexiejiediandedianyabaohangaoqiangdudegaopinchengfen。zhexiedianyabianhuashifenhuoyuedejiedianchengweizaoshenghuoyuejiedian。zaoshenghuoyuejiedianshikaiguandianyuandianluzhongdegongmochuandaoganraoyuan，tazuoyongyudianluzhongdeduidizasandianrongjiuchanshenggongmozaoshengdianliuM 。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l中的共模電流

， 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C耦合到地;從噪聲源通過c。 耦合到變壓器次級電路，再通過C 耦合到地;從變壓器的前

、次級線圈通過C?C 耦合到變壓器磁芯
，再通過C 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。

2 隔離變壓器的EMC設計

2.1 傳統變壓器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
，如圖2所示。

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)。

2.2 節點相位平衡法

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U 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。

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U. 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、houjixianquanfangxiangxiangfandezaoshenghuoyuejiedianchengduidiraozaineiwaicengxiangduiweizhijiunengshidabufendezaoshengdianliuxianghudixiao，dadajiangdilezuizhongouhedaocijidezaoshengdianliudeqiangdu。
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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ci，變bian壓ya器qi繞rao製zhi的de最zui終zhong方fang法fa應ying如ru圖tu4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。

3 實驗部分

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。

3.1 實驗方法

實驗按照文獻[43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dB/~Vl5j

3.2 實驗結果

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。

4 結束語

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。