开关电源中变压器线圈间的屏蔽层对产品EMI的影响

如图所示，由于变压器结构上的特殊性，在变压器初、次级之间是有分布电容的存在，这也是漏磁存在的原因之一。

本文主要简要分析开关电源中变压器初、次级线圈之间的屏蔽层对产品EMI的影响。

 

Part 1     

现象描述

我们常见的开关电源内部结构如下图所示：

 

其中使用的变压器初次级线圈之间用屏蔽材料（铜箔）进行屏蔽，并且屏蔽层通过导线接至初级线圈的参考地平面。如下图所示：

对该开关电源进行辐射发射和传导骚扰测试，可以顺利通过EN55022标准中规定的 CLASSＢ的限值要求，其测试幅频曲线如下所示：

使用带屏蔽隔离变压器时的辐射发射测试结果图

使用带屏蔽隔离变压器时的传导发射测试结果图

我们将其中使用的隔离变压器改成非屏蔽的变压器，再次进行辐射发射和传导骚扰的测试，发现两个测试都超限值了，结果如下：

使用非屏蔽变压器时辐射发射测试结果

使用非屏蔽变压器时传导骚扰测试结果

究竟为什么屏蔽层起了这么大作用呢？下面我们从开关电源工作原理开始分析。

Part 2

原因分析

开关电源，顾名思义，是通过控制功率管的开关来实现电压值的变换，其简要工作框图如下所示，后面有机会再详细介绍开关电源工作原理。

对开关电源来说， 开关电路产生的电磁骚扰是开关电源的主要骚扰源之一。

开关电路是开关电源的核心，主要由功率开关管和高频变压器组成。功率管开关时产生较大辐度的脉冲（类似PWM波）， 这种波形频带较宽且有丰富的谐波。其骚扰传播示意图如下图所示：

这种骚扰的原理如下：

开关管负载为高频变压器的初级线圈， 是感性负载。

在开关管导通瞬间， 初级线圈中的电流变化率最大，这时会在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压。

在开关管断开瞬间， 由于初级线圈的漏磁通， 致使一部分能量没有从初级传输到次级， 储存在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、 电阻形成带有尖峰的衰减振荡， 叠加在关断电压上， 就形成了关断电压尖峰。 

这种功率管的关断，会产生与初级线圈接通时一样的比较大的电流变化率，进而产生较大的干扰噪声（U=L*di/dt），这个噪声会通过容性耦合（分布电容）的方式传导到输入/输出端， 形成传导骚扰。

隔离变压器初级线圈，功率开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。如图中2号路径，因此这个地方的Layout非常重要，要尽量减少此处环路的面积。

如果滤波电容容量不足或高频特性不好，电容上的高频特性阻抗会使高频电流以差模的方式传导到交流电源中形成传导骚扰。

变压器的初、次级之间存在分布电容， 使得初级回路中产生的骚扰向次级回路传递，如下图所示：

在图中可以看出，这种分布电容一方面会加大骚扰的传递路径，还会使得LISN接收到更多的电流，使得传导骚扰测试超过限值。上图的等效电路如下图所示：

如果在变压器中增加屏蔽层，并与初级回路的参考地相接，如图下图所示：

这相当于截断了骚扰向后传递的路径，减小了骚扰传递的环路面积，进而抑制了传导发射骚扰与辐射发射骚扰，其等效电路图如下所示：

图中的A点即为前面图中介绍的屏蔽层的位置。

Part 3

处理措施

从前面的分析中，我们可以看出，当开关电源中如果有辐射发射和传导骚扰的情况出现，可以做如下处理：

检查变压器是否为非屏蔽变压器，如果是非屏蔽变压器，建议更换成屏蔽的，并保证屏蔽层接初级线圈的参考地。

为了保证发挥屏蔽层良好的隔离作用，屏蔽层与参考地连接要保证“零阻抗”，这是判断屏蔽效果好坏的关键。

实践证明，没有任何缝隙或通孔的单一金属导体，长宽比小于５，具有极低的阻抗。

Part 4

思考和启示

经过上面的分析，我们可以得到如下启示：

带屏蔽的变压器， 可以有效地抑制开关电源中共模噪声向后一级电路的传输。

这种屏蔽不是一般意义上的电磁屏蔽，而是一种静电屏蔽，屏蔽层要求接地（或接参考地，或接另一极）。

电磁屏蔽所用的导体原则上可以不接地，但对于静电屏蔽来说，不接地的屏蔽导体会产生所谓 “负静电屏蔽” 效应，会累积电荷。

如功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗，为了散热往往会安装散热器，散热器和元器件之间通常会填充导热绝缘材料（如导热硅脂），因此散热器和器件之间以及散热器和底板之间会产生分布电容，即上图中的Cp ，该分布电容会将电磁骚扰耦合到交流电源的输入端形成共模干扰，所以通常会将散热器接参考地。

散热器接地还避免了散热器悬空形成悬空金属，从而导致的辐射发射超标，悬空金属对辐射发射的影响请参考前面的文章《EMC测试案例分析——悬空金属对辐射发射的影响》。

编辑：黄飞