基于開關電源變壓器漏磁電磁兼容失效問題研究

化雪薈

(佛山職業技術學院，廣東 佛山 528000)

0 引言

開關電源是一種高頻化電能轉換裝置，具有功耗小、效率高、體積小重量輕、穩壓范圍寬等優點，廣泛應用于工業自動化控制、軍工設備、電力設備、通訊設備等領域。

開關電源工作原理主要利用切換的晶體管大部分是在飽和區和截止區之間切換，電壓的穩壓通過調整晶體管導通及斷路的時間來達到。開關電源大致由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成。開關電源工作頻率高，普遍采用小尺寸、輕重量的變壓器，

開關電源的缺點是存在較為嚴重的開關干擾。開關穩壓電源中，功率調整開關晶體管工作在開關狀態，它產生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產生尖峰干擾和諧振干擾，此外由于開關穩壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會串入工頻電網，使附近的其他電子儀器、設備和家用電器受到嚴重干擾[1-2]。

1 小功率變壓器漏磁

變壓器接通電源后，線圈產生的磁力線應該是沿著鐵心形成回路，并要求在這個磁路里阻力很小，變壓器才能有較高的效率。但由于裝配、工藝等原因，會造成磁路不暢通，使得一部分磁力線漏出鐵心穿過空氣形成回路，產生了漏磁。在開關電源電路中，由于變壓器靠近晶體管等，漏磁都會產生交流聲[3-6]，在示波器測量時會造成波形的變化。所以需要計算變壓器漏磁化電流和變壓器漏感參數[7-8]。

1.1 變壓器漏磁化電流

變壓器鐵心的磁化電流在負載狀態和空載狀態也不一樣，負載狀態時磁化電流用Iu表示，公式為：

式（1）中，H——磁場強度（A cm）根據不同型號硅鋼片查表；ω1——變壓器初級線圈；Lk——變壓器漏感。

式（2）中，D′——變壓器漏磁空道面積

R1、R2——等效的圓形繞組半徑（到裸線）；R12——繞組Ⅰ和繞組Ⅱ間氣道的等效平均半徑；a12——繞組Ⅰ和 繞 組Ⅱ間等效氣道的寬度（銅到銅）。

1.2 變壓器漏感參數

其中：

式（6）中：ek為模型殘差，當有N+n對輸入輸出數據時，可以寫出N個方程組

式（7）中，

從而得到

2 開關電源變壓器電磁兼容整改

2.1 開關電源問題

開關電源輸出波形如圖1所示，有干擾現象，達不到合格要求。

圖1 開關電源輸出波形Fig.1 Output waveform of switching power supply

從測試數據可以看出，測試頻率從0.15-30 MHZ，整個頻段內超出的波形形態各不相同，1 MHZ之前呈“手指波”，3 MHZ及20 MHZ左右呈“山峰波”，此類型的波形是開關電源典型的特征，這里面即有差模干擾成分，有共模干擾成分，也有差共模混合成分。在 EMC測試中通過大量的實驗驗證，“手指波”波形主要是差模成分干擾，它主要來源于開關管開關頻率的多次諧波，最主要的特點是呈倍數遞增的關系。20 MHZ左右的“山峰波”主要是共模成分的干擾，噪聲路徑主要是與地形成回路引起干擾。1 MHZ左右的“山峰波”，屬于混合型，既有差模成分，也有共模成分，通常會隨著差模或共模成分的被抑制而削弱。綜合上述實驗結論和經驗，可以總結出一個判斷法則：（0.009）0.15 MHZ-1 MHZ主要為差模干擾；1 MHZ-5 MHZ主要為混合型；5 MHZ-30 MHZ主要為共模干擾。

2.2 基本整改對策

電磁兼容整改包含了整個產品的電路原理設計、PCB布局、元器件布局、元器件選擇、材料設計、空間結構、接地與濾波設計、軟件程序控制等。在實踐的整改工作中，技術人員要擁有較強的電路設計分析能力和豐富的整改經驗以外，同時需要備配相應的測量測試設備，以便輔助分析[9-10]。

2.2.1 端口的整改對策

對于“手指波”，通常在AC端口增加差模電容，在線路中串聯適當的差模電感。對“山峰波”，通常是增加共模電容，即線對地并聯電容，也可在輸入線上繞制磁環或串聯共模電感，如果空間合適，增加濾波器是最有效的方法。

2.2.2 功率器件整改對策

開關電源功率器件是最重要的噪聲來源，在電路中，變壓器初級繞組增加RDC吸收電路，開關管輸入輸出端并聯合適的RC或C吸收器件，如圖2所示。另外開關管管腳及后級整流管加套鐵氧體等方法，也可以有效地抑制因器件開關所引起的噪聲干擾。

圖2 功率管吸收電路Fig.2 Power tube absorption circuit

2.2.3 變壓器整改策略

對變壓器加裝漏磁短路環，在線包外面包一層銅皮，漏磁通穿過短路環時，在短路環中產生感應渦流，渦流產生的反向磁通可以抵消部分漏磁，屏蔽效果如圖 3所示。加裝短路環后，x方向漏磁最小，如圖4所示。

圖3 變壓器漏磁短路環Fig.3 Transformer leakage short-circuit ring

圖4 變壓器屏蔽效能圖Fig.4 Shielding effectiveness diagram of transformer

利用金屬泊將變壓器屏蔽接地有效地抑制變壓器的漏磁。圖5為輻射能量掃描儀掃描出的輻射對比圖，上圖為未屏蔽變壓器的掃描圖，下圖為屏蔽變壓器后的掃描圖。通過屏蔽，有效地抑制了變壓器對外漏磁的區域，減小了電磁互耦的面積，降低了輻射面積。

圖5 未屏蔽變壓器和已屏蔽變壓器能量輻射對比圖Fig.5 Comparison of energy radiation between unshielded transformer and shielded transformer

當對線包側屏蔽效果不明顯時，可以增加邊柱的屏蔽如圖6所示，通過側邊和邊柱的屏蔽，可以有效地屏蔽因變壓器泄漏的磁場能量如圖7所示。但屏蔽時應注意，屏蔽材料并非越寬越好，只要有一定的厚度和寬度即可，否則影響散熱效能。

圖6 側邊屏蔽實例圖Fig.6 Example of side shielding

圖7 線包側和邊柱側磁場能量示意圖Fig.7 Schematic diagram of the magnetic field energy on the side of the wire wrapper and the side column

3 結論

針對開關電源的問題,通過端口整改、功率器件整改和變壓器整改可以有效的解決傳導干擾問題。對于傳導性質的干擾，在開關管腳增加磁環和屏蔽變壓器電源線，在被測端口選擇適合參數的電容電感組合濾波器能夠很好地解決 EMC問題，波形如圖8和圖9所示。

圖8 未屏蔽變壓器測量數據Fig.8 Measurement data of unshielded transformer

圖9 已屏蔽變壓器測量數據Fig.9 Measurement data of shielded transformer