一种兼顾效率和电磁兼容的反激变压器设计

曾智强 郑心城 陈 为

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116）

近年来，便携式、可移动式电子产品的使用越来越广泛。而这些设备大部分都需要通过外部电源适配器来供电。这些电源适配器一般采用反激电源电路。因为其电路简单、工作稳定可靠、易于控制、体积较小且成本也相对较低。而反激电源效率及EMI的特性优化设计一直是电源工作者的研究热点之一。

效率是衡量电源性能的一个重要参数。随着人们对节能和环保的日益重视，全球各国对于产品能源利用效率的要求也日益提高。文献[1-5]利用软开关技术和同步整流技术来减小变换器的开关损耗，从而提高整机效率。而反激变压器作为反激电路不可或缺的关键器件之一，其体积、重量约占整个电路的20%～30%，损耗约占总损耗的30%[6]。因此，为了使电源设计符合电力电子技术沿着高频、高效率、高功率密度方向发展的要求，变压器成为其优化的首选对象。文献[7]通过绕组交叉换位技术及改变磁心气隙与绕组的相对位置对高频磁性元件进行优化，从而提高整机效率。另一方面，为了减小体积和重量，从而提高变换器的功率密度，最常用的方法是提高频率[8]。但不管是通过改变绕组的绕制方法来提高变换器的效率，还是通过增大频率来提高变换器的功率密度，往往会带来另一个问题电磁干扰。因为功率开关器件和磁性器件本身具有的非线性特性，在高频工作频率下，电压、电流的变化率很大，会产生很强的电磁干扰。文献[9]从共模噪声的耦合途径的角度考虑，基于噪声平衡的原理，提出了增加一个额外的电容和优化变压器绕组间的屏蔽这两个新的方法来减少共模噪声。文献[10]通过增加一个补偿变压器绕组和一个电容器，实现了Buck、Boost、Fly-back、Forward、Buck-Boost等基本变流器中共模干扰的部分抵消。但通过外加补偿电容和补偿绕组来抑制电磁干扰的同时，会带来额外的损耗，使得变换器的效率降低。因此对提高电源的效率的同时减小传导共模EMI的噪声的研究不仅具有重要的理论意义也具有很好的工程实用价值。本文以反激电源为研究对象，基于次级绕组净感应电荷的理论模型，通过理论计算分析不同的屏蔽体接地点位置及不同的屏蔽高度对变压器共模传导EMI的影响。从而提出一种改进型的三明治绕法来兼顾反激变换器的效率和电磁兼容问题。

1 原理与设计

反激电源的电磁干扰源主要有两个：一个是原边的功率开关管，另一个是副边的整流二极管。它们在开通和关断过程中会产生较大 di/dt和 du/dt，这是产生电磁干扰的主要原因。从这两个干扰源出发到接收干扰的 LISN总共有三条耦合路径。图 1所示为变压器绕组加屏蔽铜箔且散热器接整流负端的共模噪声耦合路径图。图中的耦合电容定义如下：变压器原边功率管漏极与散热器间的耦合电容用电容Cp0表示；原边电位热点对副边电位静点的耦合电容用Cps表示；副边电位热点对原边电位静点的耦合电容用Csp表示。由于散热器接整流负端的地，所以路径③被屏蔽，电磁干扰无法到达LISN。根据图1对反激式共模噪声传输通道的分析，可建立如图2所示的共模传导噪声的等效电路模型[11]。

从图2可以看出，原、副边的两个共模传导干扰源的作用极性是相反的，流过 LISN阻抗的共模传导噪声总电流为两条路径上的电流之差。因此合理控制Cps和Csp的值可以有效地减小共模噪声。那么，如果将两条路径上的电容等效成一个有效电容CQ[12]，只要控制有效电容CQ的大小便可以控制共模传导噪声总电流的大小。若已知电位分布，只要计算出电荷Q就可以得到C。所以本文抑制共模噪声的基本思想就是使得归算到次级绕组上的感应总电荷∑Q等于0。

图1 绕组加屏蔽的共模噪声耦合路径

图2 反激电源共模传导噪声的等效电路模型

1.1 屏蔽体高度对变压器共模传导EMI的影响

图3表示PS绕法加部分屏蔽接原边电位静点的次级绕组感应电荷示意图。假设b为屏蔽层的高度。其中，w为全屏蔽的高度，Cps为原边绕组和副边绕组之间的结构电容，Cssh为副边绕组和屏蔽层之间的结构电容。

图3 PS绕法加部分屏蔽接原边电位静点

根据次级绕组净感应电荷的理论，可以得到原边绕组、副边绕组以及屏蔽铜箔沿高度方向的电位分布：

当绕组的高度为x的时候，原边绕组和副边绕组之间的电位差：

当绕组的高度为x的时候，副边绕组和屏蔽层之间的电位差为

那么，变压器初级绕组在次级绕组所感应出的电荷量以及屏蔽铜箔在副边绕组所感应出的电荷量分别为Q1和Q2。副边绕组所感应出的总电荷量为∑Q。

当b=0时，可以得到无屏蔽铜箔时，变压器副边绕组所感应出的总电荷量为

在如图3所示的变压器为PS绕法加部分屏蔽接原边绕组电位静点的情况下，已知参数：单位高度的Cps=0.56nF，单位高度的Cssh=0.66nF，w=9.2mm，可以画出如图4有效电容大小随屏蔽层高度b变化趋势图。发现当b=8.84mm时候，CQ大小为 0，而不是全屏蔽的高度w=9.2mm。因此屏蔽高度有一个最优值。

图4 有效电容大小随屏蔽层高度变化趋势图

1.2 屏蔽体接地位置对变压器共模传导EMI的影响

图5表示PS绕法加全屏蔽铜箔接变压器次级绕组电位静点感应电荷示意图。沿初级绕组各匝线圈和屏蔽层的电位分布的表达式分别为

当绕组的高度为x的时候，原边和屏蔽层的之间的电位差为

则变压器初级绕组所感应出的电荷量为

图5 PS绕法加全屏蔽接副边绕组地

图6表示PS绕法加全屏蔽接初级绕组地感应电荷示意图。沿副边各匝线圈和屏蔽层的电位分布的表达式分别为

当绕组的高度为x的时候，初级绕组和屏蔽层的层间的电位差为

则变压器副边绕组所感应出的电荷量为

图6 PS绕法加全屏蔽接初级绕组地

由式（11）和式（15）可以看出，全屏蔽的∑Q比不屏蔽的还要大。所以屏蔽体接地位置会对变压器共模传导EMI产生影响，若屏蔽铜箔接变压器副边的电位静点，全屏蔽反而比不屏蔽的效果更差。

1.3 改进型三明治绕法

图7为改进型的三明治绕法，其中Up∶Us=15∶1，原边绕组分成4层绕制，先原边绕组绕两层接着绕一层副边绕组，然后绕剩余的两层原边绕组，最外一层为辅助绕组。

图7 改进型三明治绕法

那么，沿初级绕组各匝线圈和屏蔽层的电位分布的表达式分别为

沿副边各匝线圈和屏蔽层的电位分布的表达式分别为

当绕组的高度为x的时候，次级绕组和初级绕组间的电位差为

则变压器初级绕组在副边绕组所感应出的电荷量为

当绕组的高度为x的时候，次级绕组和屏蔽层的层间的电位差为

则变压器屏蔽层在副边绕组所感应出的电荷量为

则变压器次级绕组所感应出的总电荷量为

由式（26）可以看出影响次级绕组所感应出的总电荷量的因素有两个：一个是绕组的电位分布，另一个是结构电容的大小。欲改变绕组的电位分布可以通过改变绕组的层数、接地引脚的位置等。而改变结构电容则相对容易一些，本文通过调节原边绕组与副边绕组之间的间距d1和屏蔽层与次级绕组之间间距d2，使其满足式（27），从而使得Cssh和Cps满足式（27）的关系式，从而来抑制传导共模EMI的影响。

2 实验验证

利用一台反激电源iPad充电器作为测试实验对象。输入电压Uac为：220V/50Hz，输出电压Uo为：5V/2A。样机的主电路拓扑、控制回路和反馈回路如图8所示。原样机的变压器采用PS绕法，磁心为EE19，初级绕组电感1.15mH，120匝；次级绕组电感：5.48μH，8匝。

图8 反激电源

2.1 变压器绕法对效率的影响

为了分析变压器绕法对效率的影响，制作了三种不同绕法的变压器。分别为 PS绕法，普通 PSP绕法和改进型 PSP绕法并于同一个样机上进行实验。

利用阻抗分析仪测量这三种变压器的激磁电感和漏感，并在同一样机上测试了其满载 2A时的整机效率。表1为三种变压器绕法对各参数影响情况。其中初级绕组电感在 1.15±10%左右。从表 1可以看出改进的PSP绕法比原样机的PS绕法满载效率提高了2.31%。因为PSP绕法增加了初、次级绕组之间的耦合面积，减小了变压器的漏感，那么消耗在漏感吸收电路的能量也就相应减少，从而提高了整机的效率。但因为改进型绕法加了屏蔽层，耦合的紧密程度比普通的PSP绕法差一些，因此效率也相对低一点。

表1 不同变压器绕法对各参数的影响

2.2 变压器绕法对EMI的影响

三明治绕法的使用会增加初、次级绕组之间的耦合电容，而绕组间的电容是传导共模噪声主要的耦合途径。另外，它还会与绕组的分布电感构成LC振荡器会产生振铃噪声，所以三明治绕法会使电源的 EMI性能变差。从图 9（a）和图 9（b）两个比较，PSP绕法共模总噪声比 PS绕法共模总噪声大10dBuA。经过改进变压器的绕法，从图9（c）可以看出，改进型PSP绕法的EMC性能比普通PSP绕法好，改进型PSP绕法共模总噪声比PSP绕法共模总噪声小25dB，共模噪声下降明显。经过改进变压器的绕法甚至比PS绕法的EMC性能还好。

图9 变压器绕法

3 结论

本文以反激电源为研究对象，通过理论计算和实验分析变压器设计对电源整机效率和电磁兼容的影响，得到以下结论：

1）变压器原、副边之间的耦合电容是传导共模EMI的主要传输路径，只要控制有效电容CQ的大小便可以控制共模传导噪声总电流的大小达到抑制传导共模EMI的效果。

2）原、副边绕组之间的屏蔽层高度具有一个最优值使得传导共模EMI得到有效抑制，全屏蔽的效果不一定最好。

3）原、副边绕组之间的屏蔽层接副边绕组的电位静点时，其抑制传导共模EMI的效果比不加屏蔽层还差。因此，反激变压器原、副边绕组之间的屏蔽层一般接在原边绕组的电位静点上。

4）变压器若采用普通三明治绕法可以提高电源整机效率，但会恶化传导共模EMI。在变压器采用三明治绕法的基础上，通过增加屏蔽层，并控制屏蔽层与次级绕组之间的距离可以抑制传导共模EMI，同时提高电源的整机效率。

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