工程师不可不知的开关电源关键设计（二）

一、开关电源EMI的一些设计经验

开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。

1.开关电源的EMI源

开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。

(1)功率开关管

功率开关管工作在On-Off快速循环转换的状态，dv/dt和di/dt都在急剧变换，因此，功率开关管既是电场耦合的主要干扰源，也是磁场耦合的主要干扰源。

(2)高频变压器

高频变压器的EMI来源集中体现在漏感对应的di/dt快速循环变换，因此高频变压器是磁场耦合的重要干扰源。

(3)整流二极管

整流二极管的EMI来源集中体现在反向恢复特性上，反向恢复电流的断续点会在电感(引线电感、杂散电感等)产生高 dv/dt，从而导致强电磁干扰。

(4)PCB

准确的说，PCB是上述干扰源的耦合通道，PCB的优劣，直接对应着对上 述EMI源抑制的好坏。

2.开关电源EMI传输通道分类

(一). 传导干扰的传输通道

(1)容性耦合

(2)感性耦合

(3)电阻耦合

a.公共电源内阻产生的电阻传导耦合

b.公共地线阻抗产生的 电阻传导耦合

c.公共线路阻抗产生的电阻传导耦合

(二). 辐射干扰的传输通道

(1)在开关 电源中，能构成辐射干扰源的元器件和导线均可以被假设为天线，从而利用电偶极子和磁偶极子理论进行分析;二极管、电容、功率开关管可以假设为电偶极子，电 感线圈可以假设为磁偶极子;

(2)没有屏蔽体时，电偶极子、磁偶极子，产生的电磁波传输通道为空气(可以假设为自由空间);

(3)有屏蔽体时，考虑屏蔽体的缝隙和孔洞，按照泄漏场的数学模型进行分析处理。

3.开关电源EMI抑制的9大措施

在开关电源中，电压和电流的突变，即高dv/dt和di/dt，是其EMI产生的主要原因。实现开关电源的EMC设计技术措施主要基于以下两点：

(1)尽量减小电源本身所产生的干扰源，利用抑制干扰的方法或产生干扰较小的元器件和电路，并进行合理布局;

(2)通过接地、滤波、屏蔽 等技术抑制电源的EMI以及提高电源的EMS。

分开来讲，9大措施分别是：

(1)减小dv/dt和di/dt(降 低其峰值、减缓其斜率)

(2)压敏电阻的合理应用，以降低浪涌电压

(3)阻尼网络抑制过冲

(4)采用软恢复特 性的二极管，以降低高频段EMI

(5)有源功率因数校正，以及其他谐波校正技术

(6)采用合理设计的电源线滤波器

(7)合理的接地处理

(8)有效的屏蔽措施

(9)合理的PCB设计

4.高频变压器漏感的控制

高频变压器的漏感是功率开关管关断尖峰电压产生的重要原因之一，因此，控制漏感成为解决高频变压器带来的EMI首要面对的问题。

减小高频变压器漏感两个切入点：电气设计、工艺设计!

(1)选择合适磁芯，降低漏感。漏感与原边匝数平方成正比，减小匝数会显著降低漏感。

(2)减小绕组间的绝缘层。现在有一种称之为“黄金薄膜”的绝缘层，厚度20～100um，脉冲击穿电压可达几千伏。

(3)增加绕组间耦合度，减小漏感。

5.高频变压器的屏蔽

为防止高频变压器的漏磁对周围电路产生干扰，可采用屏 蔽带来屏蔽高频变压器的漏磁场。屏蔽带一般由铜箔制作，绕在变压器外部一周，并进行接地，屏蔽带相对于漏磁场来说是一个短路环，从而抑制漏磁场更大范围的 泄漏。

高频变压器，磁心之间和绕组之间会发生相对位移，从而导致高频变压器在工作中产生噪声(啸叫、振动)。为防止该噪声，需要对变 压器采取加固措施：

(1)用环氧树脂将磁心(例如EE、EI磁心)的三个接触面进行粘接，抑制相对位移的产生;

(2)用“玻璃珠”(Glass beads)胶合剂粘结磁心，效果更好。

二、半桥式开关电源变压器参数计算方法

半桥式开关电源变压器参数的计算

半桥式变压器开关电源的工作原理与推挽式变压器开关电源的工作原理是非常接近的，只是变压器的激励方式与工作电源的接入方式有点不同;因此，用于计算推挽式变压器开关电源变压器初级线圈N1绕组匝数的数学表达式，只需稍微修改就可以用于半桥式变压器开关电源变压器初级线圈N1绕组匝数的计算。

A)半桥式开关电源变压器初级线圈匝数的计算

半桥式变压器开关电源与推挽式开关电源一样，也属于双激式开关电源，因此用于半桥式开关电源的变压器铁心的磁感应强度B，可从负的最大值-Bm，变化到正的最大值+Bm，并且变压器铁心可以不用留气隙。半桥式开关电源变压器的计算方法与前面推挽式开关电源变压器的计算方法基本相同，只是直接加到变压器初级线圈两端的电压仅等于输入电压Ui的二分之一。根据推挽式开关电源变压器初级线圈匝数计算公式(1-150)和(1-151)式：

设