一、高频变压器与EMI

 

高频变压器中传导EMI产生机理以反激式变换器为例，其主电路如图1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，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.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 。

 

    反激式开关电源中，变换器工作于连续模式时，开关管VT导通后，B点电位低于A点，一次绕组匝间电容便会充电，充电电流由A流向B;VT关断后，寄生电容反向充电，充电电流由B流向A。这样，变压器中便产生了差模传导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,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。

 

二、变压器中EMI代表的是什么

变压器中EMI代表的是电磁干扰。

变压器与EMI之间有如下的关系： 

1.由于变压器的线圈带有高频电流，因此变压器实际上已成为接收磁场的天线。这些 磁场会冲击附近的走线，并通过这些走线将磁场传导或辐射到密封的范围以外；

2.由于部分线圈有交流电压，因此实际上它们也成为接收电磁场的天线；

3.初级及次级线圈之间的寄生电容可以将噪声传送到绝缘层之外。由于次级线圈的接地通常都与底板连在一起，因此这些噪声又会通过这个接地面传送回来，成为共模噪声。为了减少泄漏电感，将初级及次级线圈紧靠在一起，但这样也会增加线圈的互感，从而增加共模噪声

知识点延伸：

电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音，EMI通常由电磁辐射发生源如马达和机器产生。电磁干扰是人们早就发现的电磁现象，它几乎和电磁效应的现象同时被发现。

 

三、开关电源EMI设计

1.开关电源的EMI源

开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。

（1）功率开关管

功率开关管工作在On-Off快速循环转换的状态，DV/DT和DI/DT都在急剧变换，因此，功率开关管既是电场耦合的主要干扰源，也是磁场耦合的主要干扰源。

（2）高频变压器

高频变压器的EMI来源集中体现在漏感对应的di/dt快速循环变换，因此高频变压器是磁场耦合的重要干扰源。

（3）整流二极管

整流二极管的EMI来源集中体现在反向恢复特性上，反向恢复电流的断续点会在电感（引线电感、杂散电感等）产生高dv/dt，从而导致强电磁干扰。

（4）PCB

准确的说，PCB是上述干扰源的耦合通道，PCB的优劣，直接对应着对上述EMI源抑制的好坏。

2.开关电源EMI传输通道分类

（1）传导干扰的传输通道

1）容性耦合

2）感性耦合

3）电阻耦合

a.公共电源内阻产生的电阻传导耦合；

b.公共地线阻抗产生的电阻传导耦合；

c.公共线路阻抗产生的电阻传导耦合；

（2）辐射干扰的传输通道

1）在开关电源中，能构成辐射干扰源的元器件和导线均可以被假设为天线，从而利用电偶极子和磁偶极子理论进行分析；二极管、电容、功率开关管可以假设为电偶极子，电感线圈可以假设为磁偶极子；

2）没有屏蔽体时，电偶极子、磁偶极子，产生的电磁波传输通道为空气（可以假设为自由空间）；

3）有屏蔽体时，考虑屏蔽体的缝隙和孔洞，按照泄漏场的数学模型进行分析处理。

3.开关电源EMI抑制的9大措施

在开关电源中，电压和电流的突变，即高DV/DT和DI/DT，是其EMI产生的主要原因。实现开关电源的EMC设计技术措施主要基于以下两点：

（1）尽量减小电源本身所产生的干扰源，利用抑制干扰的方法或产生干扰较小的元器件和电路，并进行合理布局；

（2）通过接地、滤波、屏蔽等技术抑制电源的EMI以及提高电源的EMS。

分开来讲，9大措施分别是：

①减小DV/DT和DI/DT（降低其峰值、减缓其斜率）；

②压敏电阻的合理应用，以降低浪涌电压；

③阻尼网络抑制过冲

④采用软恢复特性的二极管，以降低高频段EMI

⑤有源功率因数校正，以及其他谐波校正技术

⑥采用合理设计的电源线滤波器

⑦合理的接地处理

⑧有效的屏蔽措施

⑨合理的PCB设计

4.高频变压器漏感的控制

高频变压器的漏感是功率开关管关断尖峰电压产生的重要原因之一，因此，控制漏感成为解决高频变压器带来的EMI首要面对的问题。

减小高频变压器漏感两个切入点：电气设计、工艺设计。

（1）选择合适磁芯，降低漏感。漏感与原边匝数平方成正比，减小匝数会显著降低漏感。

（2）减小绕组间的绝缘层。现在有一种称之为“黄金薄膜”的绝缘层，厚度20～100um，脉冲击穿电压可达几千伏。

（3）增加绕组间耦合度，减小漏感。

5.高频变压器的屏蔽

为防止高频变压器的漏磁对周围电路产生干扰，可采用屏蔽带来屏蔽高频变压器的漏磁场。屏蔽带一般由铜箔制作，绕在变压器外部一周，并进行接地，屏蔽带相对于漏磁场来说是一个短路环，从而抑制漏磁场更大范围的泄漏。

高频变压器，磁心之间和绕组之间会发生相对位移，从而导致高频变压器在工作中产生噪声（啸叫、振动）。为防止该噪声，需要对变压器采取加固措施：

（1）用环氧树脂将磁心（例如EE、EI磁心）的三个接触面进行粘接，抑制相对位移的产生；

（2）用“玻璃珠”（Glass beads）胶合剂粘结磁心，效果更好。