一种反激式开关电源的变压器电磁兼容性设计方法

本文以一款反激式开关电源为例，阐述了其传导共模干扰的产生、传播机理。根据噪声活跃节点平衡的思想，提出了一种新的变压器EMC设计方法。通过实 验验证，与传统的设计方法相比，该方法对传导电磁干扰(EMI)的抑制能力更强，且能降低变压器的制作成本和工艺复杂程度。本方法同样适用于其他形式的带变压器拓扑结构的开关电源。

　　随着功率半导体器件技术的发展，开关电源高功率体积比和高效率的特性使得其在现代军事、工业和商业等各级别的仪器设备中得到广泛应用，并且随着时钟频率的不断提高，设备的电磁兼容性(EMC)问题引起人们的广泛关注。EMC设计已成为开关电源开发设计中必不可少的重要环节。

　　传导电磁干扰(EMI)噪声的抑制必须在产品开发初期就加以考虑。通常情况下，加装电源线滤波器是抑制传导EMI的必要措施[1]。但是，仅仅依靠电源输入 端的滤波器来抑制干扰往往会导致滤波器中元件的电感量增加和电容量增大。而电感量的增加使体积增加;电容量的增大受到漏电流安全标准的限制。电路中的其他 部分如果设计恰当也可以完成与滤波器相似的工作。本文提出了变压器的噪声活跃节点相位干燥绕法，这种设计方法不仅能减少电源线滤波器的体积，还能降低成本。

　　1、反激式开关电源的共模传导干扰

　　电子设备的传导噪声干扰指的是：设备在与供电电网连接工作时以噪声电流的形式通过电源线传导到公共电网环境中去的电磁干扰。传导干扰分为共模干扰与差模干扰两种。共模 干扰电流在零线与相线上的相位相等;差模干扰电流在零线与相线上的相位相反。差模干扰对总体传导干扰的贡献较小，且主要集中在噪声频谱低频端，较容易抑制;共模干扰对传导干扰的贡献较大，且主要处在噪声频谱的中频和高频频段。对共模传导干扰的抑制是电子设备传导EMC设计中的难点，也是最主要的任务。

　　反激式开关电源的电路中存在一些电压剧变的节点。和电路中其他电势相对稳定的节点不同，这些节点的电压包含高强度的高频成分[2]。这些电压变化十分活跃的 节点称为噪声活跃节点。噪声活跃节点是开关电源电路中的共模传导干扰源，它作用于电路中的对地杂散电容就产生共模噪声电流ICM 。而电路中对EMI影响较大的对地杂散电容有：功率开关管的漏极对地的寄生电容Cde，变压器的主边绕组对副边绕组的寄生电容Cpa;变压器的副边回路对地的寄生电容Cae， 变压器主、副边绕组对磁芯的寄生电容Cpc、Cac 以及变压器磁芯对地的寄生电容Cce这些寄生电容在电路中的分布如图1所示。

　　图1、共模噪声电流在电路中的耦合途径

　　图1中的共模电流ICM在电路中的耦合途径主要有3条：从噪声源—— 功率开关管的d极通过Cde耦合到地;从噪声源通过Cpa耦合到变压器次级电路，再通过Cae 耦合到地;从变压器的前、次级线圈通过Cpc、Cac 耦合到变压器磁芯，再通过Cce 耦合到地。这3种电流是构成共模噪声电流(图1中的黑色箭头所示)的主要因素。共模电流通过电源线输入端的地线回流，从而被LISN取样测量得到。

　　2、隔离变压器的EMC设计

　　2.1、传统变压器EMC设计

　　共模噪声的耦合除了通过场效应管d极对地这条途径外，开关管d极的噪声电压通过变压器的寄生电容将噪声电流耦合到变压器副边绕组所在的回路，再通过次级回路 对地的寄生电容耦合到地也是共模电流产生的途径。因此设法减小从变压器主边绕组传递到副边绕组间的共模电流是一种有效的EMC设计方法。传统的变压器 EMC设计方法是在两绕组间添加隔离层[3]，如图2所示。

　　图2、变压器隔离层对噪声电流的影响

　　金属隔离层直接连接地线的设计会增大共模噪声电流，使EMC性能变差。隔离层应该是电路中电位稳定的节点，比如将图2中的隔离层连接到电路前级的负极就是一个很好的接法。这样的连接能把原本流向大地的共模电流有效分流，从而大大降低电源线的传导噪声发射水平。

　　2.2、节点相位平衡法

　　在电路中，噪声电压活跃节点并不是单一的。以本文分析的电路为例：除功率开关管的d极外，变压器前级绕组的另一端Uin 也是一个噪声电压活跃节点，而且节点电压的变化方向与场管的d极电压情况相反。所以变压器次级绕组的两端是相位相反的噪声电压活跃节点。图3所示的是采用节点相位平衡法后，变压器骨架上的线圈分布情况。

　　图3、噪声电流在变压器内部的耦合情况

　　LED路灯是低电压、大电流的驱动器件，其发光的强度由流过LED的电流决定，电流过强会引起LED的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此LED的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。用市电驱动大功率LED需要解决降压、隔离、PFC(功率因素校正)和恒流问题，还需有比较高的转换效率，有较小的体积，能长时间工作，易散热，低成本，抗电磁干扰，和过温、过流、短路、开路保护等。本方案设计的PFC开关电源性能良好、可靠、经济实惠且效率高，在LED路灯使用过程中取得满意的效果。

　　1 系统结构框图

　　采用隔离变压器、PFC控制实现的开关电源，输出恒压恒流的电压，驱动LED路灯。电路的总体框图如图1所示。

　　LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。LED路灯装在户外更要加强浪涌防护。由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源应具有抑制浪涌侵入，保护LED不被损坏的能力。EMI滤波电路主要防止电网上的谐波干扰串入模块，影响控制电路的正常工作。

　　三相交流电经过全桥整流后变成脉动的直流在滤波电容和电感的作用下，输出直流电压。主开关DC/AC电路将直流电转换为高频脉冲电压在变压器的次级输出。变压器输出的高频脉冲经过高频整流、LC滤波和EMI滤波，输出LED路灯需要的直流电源.

　　PWM控制电路采用电压电流双环控制，以实现对输出电压的调整和输出电流的限制。反馈网络采用恒流恒压器件TSM101和比较器，反馈信号通过光耦送给PFC器L6561.由于使用了PFC器件使模块的功率因数达到0.95.

　　2 DC/DC变换器

　　DC/DC变换器的类型有多种，为了保证用电安全，本设计方案选为隔离式。隔离式DC/DC变换形式又可进一步细分为正激式、反激式、半桥式、全桥式和推挽式等。其中，半桥式、全桥式和推挽式通常用于大功率输出场合，其激励电路复杂，实现起来较困难;而正激式和反激式电路则简单易行，但由于反激式比正激式更适应输入电压有变化的情况，且本电源系统中PFC输出电压会发生较大的变化，故DC/DC变换采用反激方式，有利于确保输出电压稳定不变。

　　反激式开关电源主要应用于输出功率为5~150W的情况。这种电源结构是由Buck-Boost结构推演并加上隔离变压器而得到，如图2所示。在反激式拓扑中，由变压器作为储能元件。开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容提供;开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。

　　图中T1为高频隔离变压器，VQ1为CMOS功率三极管17N80C3,VD7和VD8是瞬变抑制二极管，VD6为快恢复二极管，VD5为双二极管，C3、C4、C5和C6为电解电容器。Ubout是来自整流桥的脉动直流信号，GD是来自功率因数校正电路的控制信号。变压器的引线l和2组成一个绕组，给PFC器件提供工作电源，引线11和12组成一个绕组，为恒流恒压器件和比较器提供工作电源。

　　3 反馈网络电路

　　3.1恒流恒压电路

　　本设计使用恒流恒压控制器件TSM101调节输出电压和电流，使之稳定。电路如图3所示。通过TSM101的控制作用，保证了电源恒流(CC)和恒压(CV)工作。图3中，Uout+和Uout-是隔离变压器经过双二极管和电解电容器滤波的电压，再经电感L4和电容滤波后的输出为Uout+和Uout-,为本电源模块的输出电压，直接加在LED路灯上。可调电阻器RV1和RV2分别调节输出电压和电流的大小。R10和R11为22mΩ的电阻，分别对电源输出的电压和电流采样。TMS101的输出TOUT通过光电耦合器、可控硅和三极管等电路送到L6561的引脚5,通过反馈电路实现恒流控制。器件引脚8接辅助电源，引脚4接变压器T1副边地。