开关电源变压器屏蔽层抑制共模EMI的研究

　　引言

　　电磁兼容（ EleCTRomagnetIC Compatibility，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。同而电流、电压的变化必定伴有磁场、电场的变化，因此，导致了辐射EMI。本文着重分析变压器中共模传导EMI 产生的机理，并以此为依据，阐述了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。

　　去掉共模滤波电感，在变压器中增设一次侧屏蔽绕组如图8 所示，并将E 与A 点（电容Cin正极）相连。此时，一次侧屏蔽绕组代替了原一次绕组的最外层，假设一次侧屏蔽绕组与二次绕组间的寄生电容与原变压器一次侧最外层绕组与二次绕组的寄生电容相同，则：

　　图8 变压器内部不设置屏蔽在电路中增设共模滤波电感的传导EMI 测试结果

　　由式（4） 可知：在电路工作情况不变的状况下，共模电流i1的第一项减小为原来的1 /（2m +1），故传导EMI 减小了，测试结果如图9 所示。

　　由于在共模传导EMI 的模型中输入滤波电容Cin是短路的，因此，若将E 与电容Cin负极相连，屏蔽绕组对传导EMI 的抑制效果与E 点、A 点相连的情况是一致的，测试结果如图10 和图11 所示。

　　图9 变压器内部增设一次侧屏蔽绕组

　　图10 变压器内部设置一次侧屏蔽绕组并将出线与输入滤波电容正极相连的传导EMI 测试结果

　　图11 变压器内部设置一次侧屏蔽绕组并将出线与输入滤波电容负极相连的传导EMI 测试结果

　　在变压器内部再增设次级屏蔽绕组如图12所示，并将E 点与A 点相连，将F 点与C 点相连，此时，一次侧屏蔽绕组与次级屏蔽绕组的感应电动势和寄生电容分布情况是基本一致的，近似有：

　　式（5）中：Cx为一侧屏蔽绕组与另一屏蔽绕组间的寄生电容值。结合式（3） 可知，通过两屏蔽绕组耦合的共模电流近似为零，但一次侧与次级屏蔽绕组不可能完全一致，因此，屏蔽绕组之间仍会有共模干扰电流，但得到了极大的衰减，测试结果如图13 所示。

　　图12 变压器内部设置一次侧屏蔽绕组和次级屏蔽绕组

　　图13 变压器内部设置2 层屏蔽绕组的传导EMI 测试结果

　　如果将2 层屏蔽绕组换为2 层屏蔽铜箔，由于两层屏蔽铜箔感应电动势和寄生电容分布的分布更为相似，因此，对共模传导电流就有更好的抑制效果，测试结果如图14 所示。

　　图14 变压器内部设置两层屏蔽铜箔的传导EMI 测试结果

　　理论及试验结果均表明：在变压器中增加屏蔽层，可以对共模传导EMI 起抑制作用，尤以两层铜箔的屏蔽效果最好。具体设计中，可根据电源共模传导EMI 的严重程度来选择相应的屏蔽措施。

　　由于各类变换器中产生共模传导EMI 的机理是相同的，所以，上述共模传导干扰的模型和屏蔽层的设计方法同样适用于其他拓扑。

　　4 结语

　　由于开关电源输入、输出侧与大地之间存在着电位差的高频变化，是造成共模EMI 的根本原因。理论分析和试验结果表明，在一次绕组与二次绕组之间设置屏蔽绕组或屏蔽铜箔，可以抑制一次侧与次级之间的共模电流，减少共模传导EMI。

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