基于开关电源变压器漏磁电磁兼容失效问题研究

化雪荟

(佛山职业技术学院，广东 佛山 528000)

0 引言

开关电源是一种高频化电能转换装置，具有功耗小、效率高、体积小重量轻、稳压范围宽等优点，广泛应用于工业自动化控制、军工设备、电力设备、通讯设备等领域。

开关电源工作原理主要利用切换的晶体管大部分是在饱和区和截止区之间切换，电压的稳压通过调整晶体管导通及断路的时间来达到。开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。开关电源工作频率高，普遍采用小尺寸、轻重量的变压器，

开关电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管工作在开关状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重干扰[1-2]。

1 小功率变压器漏磁

变压器接通电源后，线圈产生的磁力线应该是沿着铁心形成回路，并要求在这个磁路里阻力很小，变压器才能有较高的效率。但由于装配、工艺等原因，会造成磁路不畅通，使得一部分磁力线漏出铁心穿过空气形成回路，产生了漏磁。在开关电源电路中，由于变压器靠近晶体管等，漏磁都会产生交流声[3-6]，在示波器测量时会造成波形的变化。所以需要计算变压器漏磁化电流和变压器漏感参数[7-8]。

1.1 变压器漏磁化电流

变压器铁心的磁化电流在负载状态和空载状态也不一样，负载状态时磁化电流用Iu表示，公式为：

式（1）中，H——磁场强度（A cm）根据不同型号硅钢片查表；ω1——变压器初级线圈；Lk——变压器漏感。

式（2）中，D′——变压器漏磁空道面积

R1、R2——等效的圆形绕组半径（到裸线）；R12——绕组Ⅰ和绕组Ⅱ间气道的等效平均半径；a12——绕组Ⅰ和 绕 组Ⅱ间等效气道的宽度（铜到铜）。

1.2 变压器漏感参数

其中：

式（6）中：ek为模型残差，当有N+n对输入输出数据时，可以写出N个方程组

式（7）中，

从而得到

2 开关电源变压器电磁兼容整改

2.1 开关电源问题

开关电源输出波形如图1所示，有干扰现象，达不到合格要求。

图1 开关电源输出波形Fig.1 Output waveform of switching power supply

从测试数据可以看出，测试频率从0.15-30 MHZ，整个频段内超出的波形形态各不相同，1 MHZ之前呈“手指波”，3 MHZ及20 MHZ左右呈“山峰波”，此类型的波形是开关电源典型的特征，这里面即有差模干扰成分，有共模干扰成分，也有差共模混合成分。在 EMC测试中通过大量的实验验证，“手指波”波形主要是差模成分干扰，它主要来源于开关管开关频率的多次谐波，最主要的特点是呈倍数递增的关系。20 MHZ左右的“山峰波”主要是共模成分的干扰，噪声路径主要是与地形成回路引起干扰。1 MHZ左右的“山峰波”，属于混合型，既有差模成分，也有共模成分，通常会随着差模或共模成分的被抑制而削弱。综合上述实验结论和经验，可以总结出一个判断法则：（0.009）0.15 MHZ-1 MHZ主要为差模干扰；1 MHZ-5 MHZ主要为混合型；5 MHZ-30 MHZ主要为共模干扰。

2.2 基本整改对策

电磁兼容整改包含了整个产品的电路原理设计、PCB布局、元器件布局、元器件选择、材料设计、空间结构、接地与滤波设计、软件程序控制等。在实践的整改工作中，技术人员要拥有较强的电路设计分析能力和丰富的整改经验以外，同时需要备配相应的测量测试设备，以便辅助分析[9-10]。

2.2.1 端口的整改对策

对于“手指波”，通常在AC端口增加差模电容，在线路中串联适当的差模电感。对“山峰波”，通常是增加共模电容，即线对地并联电容，也可在输入线上绕制磁环或串联共模电感，如果空间合适，增加滤波器是最有效的方法。

2.2.2 功率器件整改对策

开关电源功率器件是最重要的噪声来源，在电路中，变压器初级绕组增加RDC吸收电路，开关管输入输出端并联合适的RC或C吸收器件，如图2所示。另外开关管管脚及后级整流管加套铁氧体等方法，也可以有效地抑制因器件开关所引起的噪声干扰。

图2 功率管吸收电路Fig.2 Power tube absorption circuit

2.2.3 变压器整改策略

对变压器加装漏磁短路环，在线包外面包一层铜皮，漏磁通穿过短路环时，在短路环中产生感应涡流，涡流产生的反向磁通可以抵消部分漏磁，屏蔽效果如图 3所示。加装短路环后，x方向漏磁最小，如图4所示。

图3 变压器漏磁短路环Fig.3 Transformer leakage short-circuit ring

图4 变压器屏蔽效能图Fig.4 Shielding effectiveness diagram of transformer

利用金属泊将变压器屏蔽接地有效地抑制变压器的漏磁。图5为辐射能量扫描仪扫描出的辐射对比图，上图为未屏蔽变压器的扫描图，下图为屏蔽变压器后的扫描图。通过屏蔽，有效地抑制了变压器对外漏磁的区域，减小了电磁互耦的面积，降低了辐射面积。

图5 未屏蔽变压器和已屏蔽变压器能量辐射对比图Fig.5 Comparison of energy radiation between unshielded transformer and shielded transformer

当对线包侧屏蔽效果不明显时，可以增加边柱的屏蔽如图6所示，通过侧边和边柱的屏蔽，可以有效地屏蔽因变压器泄漏的磁场能量如图7所示。但屏蔽时应注意，屏蔽材料并非越宽越好，只要有一定的厚度和宽度即可，否则影响散热效能。

图6 侧边屏蔽实例图Fig.6 Example of side shielding

图7 线包侧和边柱侧磁场能量示意图Fig.7 Schematic diagram of the magnetic field energy on the side of the wire wrapper and the side column

3 结论

针对开关电源的问题,通过端口整改、功率器件整改和变压器整改可以有效的解决传导干扰问题。对于传导性质的干扰，在开关管脚增加磁环和屏蔽变压器电源线，在被测端口选择适合参数的电容电感组合滤波器能够很好地解决 EMC问题，波形如图8和图9所示。

图8 未屏蔽变压器测量数据Fig.8 Measurement data of unshielded transformer

图9 已屏蔽变压器测量数据Fig.9 Measurement data of shielded transformer