開關(guān)電源系列（六）反激變壓器EMI問題分析調(diào)試與設(shè)計(jì)

來源：風(fēng)陵渡口話EMC 更新時(shí)間：2024-07-20 閱讀：

反激變壓器EMI影響分析調(diào)試與設(shè)計(jì)

反激變壓器是反激式開關(guān)電源的核心器件，是影響反激電源電磁兼容特性的關(guān)鍵器件，其原、副邊分布電容是共模噪聲的傳輸路徑，其阻抗參數(shù)，對(duì)傳導(dǎo)共模噪聲的大小和特性都有著非常重要的影響。

反激變壓器作為噪聲產(chǎn)生的源，產(chǎn)生噪聲的原因主要有：

ü反激變壓器初次級(jí)存在漏感，漏感產(chǎn)生漏磁場空間輻射，漏感與功率器件寄生參數(shù)（尤其是寄生電容）形成的寄生振蕩是傳導(dǎo)騷擾與輻射騷擾的源頭。

ü反激變壓器線圈繞組流過的高頻脈沖電流，形成高頻磁場輻射，是輻射干擾的重要源頭。

ü反激變壓器漏感的存在使得開關(guān)管開關(guān)瞬間，形成高頻電壓振蕩與電壓尖峰是傳導(dǎo)騷擾與輻射騷擾的源頭。

ü反激變壓器在共模噪聲傳輸中可以起到濾波器的作用，其對(duì)共模噪聲抑制的能力取決于共模噪聲在變壓器內(nèi)部傳輸時(shí)的容性分布參數(shù)的等效阻抗。

一、反激變壓器漏感對(duì)EMI的影響分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

什么是漏感漏感：

當(dāng)兩個(gè)存在磁路匝鏈關(guān)系的自感，磁通沒有完全耦合，就有了漏磁通，就產(chǎn)生了漏感；初級(jí)繞組和次級(jí)繞組不能完全耦合，就會(huì)存在漏感，漏感是反激開關(guān)變壓器的重要指標(biāo)。

漏感的影響分析：

漏感的存在可以與電路中的電容或者變壓器繞組之間的分布電容構(gòu)成振蕩回路，滿足振蕩條件后，產(chǎn)生振蕩，向外輻射電磁能量，造成電磁干擾。

反激電路控制開關(guān)MOS管關(guān)斷瞬間會(huì)在反激變壓器漏感兩端產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，尖峰電壓不加以處理容易擊穿開關(guān)MOS管。因此，漏感對(duì)電路性能和轉(zhuǎn)換效率的影響特別重要。

如何減小反激變壓器漏感：

反激變壓器的漏感與初次級(jí)線圈的圈數(shù)、初級(jí)線圈的耦合程度、磁芯材質(zhì)、磁芯氣隙、線圈繞制平整度及寬度等因素相關(guān)；減小反激變壓器漏感的措施如下：

ü減少初次級(jí)繞組的匝數(shù)

ü增大繞組寬度

ü增加初次級(jí)繞組之間的耦合程度（三明治繞法）

ü選用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低損耗的磁性材料

ü減小氣隙，對(duì)改善漏感比較明顯

ü繞線密度、平整度也會(huì)影響漏感

二、反激變壓器共模噪聲耦合分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

在反激開關(guān)電源中，共模電流主要有兩條路徑。一是從原邊MOS管的漏極通過對(duì)參考地的分布電容形成的電流路徑，流過LISN后返回源頭；此種情況通過將MOS管散熱片接地即可將共模電流旁路到源端基本可以解決。二是通過變壓器初次級(jí)分布電容耦合到副邊，再通過副邊對(duì)參考地的分布電容形成電流路徑，流過LISN后返回源頭；此種情況相對(duì)復(fù)雜，需要通過變壓器設(shè)計(jì)來解決，是EMI工程師面臨的挑戰(zhàn)。

2.1、反激變壓器等效電路模型

變壓器繞組的電場特性及其EMI效應(yīng)：

變壓器原副邊繞組本身存在電場耦合，即原副邊繞組自身的分布電容，此分布電容對(duì)EMI的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。變壓器原副邊繞組間電場耦合，即原副邊繞組間的分布電容，此電容將原邊開關(guān)噪聲耦合到副邊，并通過副邊與參考地間的分布電容（或者副邊接參考地）耦合到LISN，被EMI接收機(jī)拾取到，造成傳導(dǎo)測(cè)試超標(biāo)；同時(shí)，形成的電流環(huán)路為輻射發(fā)射提供了耦合路徑。

單繞組變壓器寄生電容及等效模型：

雙繞組變壓器寄生電容及等效模型：

多繞組變壓器等效模型：

根據(jù)反激變壓器等效模型可知，解決反激變壓器原副邊共模噪聲耦合的主要方案是：增加共模濾波器插入損耗，減小反激變壓器分布電容。

2.2降低反激變壓器共模耦合電容的方法：

ü增加原邊繞組間的距離

ü減小原副邊繞組間的面積

ü采用低介電系數(shù)的絕緣膠帶

ü原副邊采用更完全的屏蔽

ü改變電位分布

ü增加原副邊跨接電容補(bǔ)償

2.3、信號(hào)發(fā)生器+示波器測(cè)量反激變壓器共模噪聲電流

變壓器共模噪聲電流測(cè)試原理圖

測(cè)試原理圖說明：

üCps是原邊對(duì)副邊的分布電容

üCsp是副邊對(duì)原邊的分布電容

üCpsh是原邊對(duì)屏蔽繞組的分布電容

üCssh是副邊對(duì)屏蔽繞組的分布電容

ü根據(jù)基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流定律得出共模電流的計(jì)算公式如下：

多繞組變壓器測(cè)試方法示意圖及說明

變壓器共模電流測(cè)試設(shè)備說明

變壓器共模電流測(cè)試結(jié)果說明

理論上希望原副邊的分布電容為零是最好的，這樣就原副邊就不存在共模電流，實(shí)際上是無法做到的。設(shè)計(jì)中盡可能的使其越小越好，就如右圖中2和4，三角波是信號(hào)源。

變壓器共模噪聲實(shí)際測(cè)試波形

2.4、反激變壓器共模噪聲電流設(shè)計(jì)優(yōu)化

（一）改變變壓器繞組線端點(diǎn)位降低共模有效電容

兩個(gè)導(dǎo)體互相絕緣的導(dǎo)體之間，中間加入介質(zhì)就構(gòu)成了電容，電容的容值的大小受到兩者之間平行長度，距離、介質(zhì)材料影響，在介質(zhì)、平行長度都不改變的前提下，增大兩者之間的距離是降低容值最簡單易行的辦法。

將動(dòng)點(diǎn)與靜點(diǎn)位置互換，靜點(diǎn)本身就起到了電場屏蔽作用，靜點(diǎn)在兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)之間的情況下，理論是可以實(shí)現(xiàn)的。

（二）原副邊增加屏蔽降低共模噪聲電流

由于屏蔽層屏蔽作用，變壓器原副邊的共模電荷感應(yīng)大大降低，相當(dāng)于原副邊的共模有效電容在減小，屏蔽的最終目的是減小共模電流。

最優(yōu)化屏蔽是共模電流為零

（三）通過跨接電容補(bǔ)償

對(duì)變壓器的優(yōu)化，核心問題將產(chǎn)生噪聲的等效電容減小至零。如何來減小等效電容，可以通過原副邊增加補(bǔ)償電容的方式來解決。如果是過補(bǔ)償可以在副邊高電位動(dòng)點(diǎn)到原邊地之間增加跨接電容；如果是欠補(bǔ)償則可以在原邊高電位和副邊地之間增加跨接電容。

上圖中Qps=Qsp，即當(dāng)Vp*Cps=Vs*Csp時(shí)，變壓器副邊的凈電荷將相互抵消為零。

Negative CADD1=-CBD Positive CADD2=n.CBD

（四）通過變壓器繞組設(shè)計(jì)減小EMI

對(duì)于相鄰繞組來說，如果繞組是均勻且緊密繞制的，其總電容是可以用間距為d，相對(duì)面積為2πrh的平板電容器來計(jì)算的。,其中d為繞組間距，h為繞組高度，r為繞組對(duì)磁芯中心的距離。

繞組兩端的dv/dt已知，假設(shè)此dv/dt沿繞組均勻變化，則相鄰繞組間流過的共模電流可以積分求得。簡單結(jié)論，相鄰繞組間的共模電流，與相鄰繞組的dv/dt的平均值的差成正比。因此，設(shè)計(jì)時(shí)的原則即是盡量減小相鄰原副邊繞組的dv/dt之差。

繞組設(shè)計(jì)的原則是：原邊繞組與緊鄰的副邊繞組電壓差越小，則兩者之間在繞組均勻繞制時(shí)的dv/dt就越小，原副邊的共模耦合電流就越小。

原副邊之間dv/dt的方向和變壓器繞組的極性是有關(guān)系的，也與電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)。副邊整流二極管或同步整流二極管在正極或者負(fù)極，對(duì)EMI性能影響很大，應(yīng)引起重視。

副邊整流二極管或者同步整流二極管放在負(fù)極時(shí)，會(huì)使原邊耦合到副邊的共模電流無法回流到原邊，通過副邊對(duì)地分布電容到參考地回流到源端，使原邊到副邊的電流，與副邊到原邊的電流同向，共模電流加劇。

同步整流原副邊共模電流噪聲總是同方向增強(qiáng)的

（五）增加補(bǔ)償繞組降低共模電流

傳統(tǒng)方法在原副邊之間增加銅箔屏蔽并將其接原邊地的方法，可有效降低原副邊之間的dv/dt，從而降低共模電流。磁場穿過銅箔產(chǎn)生渦流效應(yīng)的同時(shí)，降低了原副邊的磁場耦合，增加了功率損耗，且生產(chǎn)效率降低。

使用補(bǔ)償繞組，即可以達(dá)到降低原副邊之間dv/dt，抑制共模電流，還可以改善原副邊之間的磁場耦合，減小功率損耗。補(bǔ)償繞組是一個(gè)一端接地，另一端懸空的繞組，優(yōu)勢(shì)是便于自動(dòng)化生產(chǎn)，且使用靈活。

下圖給出了兩電容模型中共模電流為正值時(shí)的接法：既可以從原邊地開始，以相對(duì)原邊的相反極性繞制，也可以從副邊高電位開始，以相對(duì)副邊的相同極性繼續(xù)繞制。繞制完成后，可以通過測(cè)量電容來確定變壓器已經(jīng)達(dá)到平衡。

補(bǔ)償屏蔽繞組的靈活應(yīng)用

傳導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

測(cè)試說明：

ü黑色是未增加屏蔽的傳導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)。

ü深藍(lán)色是使用銅箔屏蔽的傳導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)。

ü紫紅色是使用補(bǔ)償屏蔽繞組的傳導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)。

ü結(jié)論是使用補(bǔ)償繞組效果是最優(yōu)。

（六）調(diào)整反激變壓器共模有效電容的各種方法總結(jié)

外加補(bǔ)償電容

調(diào)整絕緣層厚度

調(diào)整繞線方式

引入等電位導(dǎo)體

調(diào)整屏蔽體面積

三、反激變壓器設(shè)計(jì)EMI問題案例

問題現(xiàn)象描述：

電源板卡傳導(dǎo)測(cè)試多片板卡時(shí)，發(fā)現(xiàn)300KHz頻點(diǎn)在最差的板卡上余量3dB，不滿足6dB設(shè)計(jì)余量管控標(biāo)準(zhǔn)要求。

整改前傳導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)

問題分析過程：

①對(duì)比分析問題現(xiàn)象跟隨板卡，與外部條件無關(guān)，判斷是板卡差異導(dǎo)致的一致性問題。

②將不良板卡與OK板卡關(guān)鍵器件互換，做排除試驗(yàn)，其結(jié)果是不良現(xiàn)象跟隨反激變壓器單體，初步鎖定反激變壓器生產(chǎn)制造一致性問題。

③分別測(cè)試不良單體變壓器與OK單體變壓器的共模電流，發(fā)現(xiàn)共模電流越小，傳導(dǎo)余量越大，初步結(jié)論是與變壓器共模電流大小成相關(guān)聯(lián)。

變壓器共模電流與傳導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表

④分別拆解OK變壓器與NG變壓器進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)OK變壓器繞線平整，疏密均勻，而NG變壓器繞線繞線緊密，疏密不均勻。

變壓器拆解對(duì)比圖

問題原因分析：

反激變壓器補(bǔ)償繞組繞線不平整，影響原副邊分布電容參數(shù)，引起不同變壓壓器共模電流離散性較大，導(dǎo)致變壓器傳導(dǎo)測(cè)試一致性問題。從不同單體反激變壓器共模電流測(cè)試數(shù)據(jù)來看，補(bǔ)償繞組過補(bǔ)償嚴(yán)重，是導(dǎo)致反激變壓器傳導(dǎo)一致性差的根本原因。

問題解決方案：

問題源頭是變壓器補(bǔ)償繞組過補(bǔ)償，改善措施是降低補(bǔ)償繞組圈數(shù)，從10匝降到5匝，測(cè)試反激變壓器共模電流降低到-37,再次進(jìn)行傳導(dǎo)測(cè)試，300KHz頻點(diǎn)余量均≧16dB，改善效果非常明顯。