开关电源中变压器初、次级线圈之间的屏蔽层对EMI作用有多大？【EMC学习】

【现象描述】

某开关电源变压器采用屏蔽设计，屏蔽层位于初级线罔与次级线圈之间、并且屏蔽层通过线接至初级线圈的0 V , 如下图所示。

该开关电源能满足 EN55022 标准中规定的 CLASS B 要求。将该电源的变压器改成非屏蔽的变压器，即取消初级线圈与次级线圈之间的屏蔽铜销后，再进行辐射发射与传导骚扰测试，使用非屏蔽变压器，在传导骚扰与辐射发射的项目上均不能达到EN55022 标准中规定的 CLASS B 要求。

【原因分析】

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， 主要由开关管和高频变压器组成。它产生的 dU/dt 是具有较大辐度的脉冲， 频带较宽且谐波丰富。

这种脉冲骚扰产生的主要原因有以下几个方面。

(1) 开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并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一次线圈传输到二次线圈，储藏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，形成关断电压尖峰。

这种电源电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这个噪声会传导到输入/输出端，形成传导骚扰。

(2) 脉冲变压器初级线圈，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。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导骚扰。同时变压器的初、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。

在变压器中增加屏蔽层，并与初级回路的0V 相接后，相当于截断骚扰向后传递的路径。从等效电路上看是将骚扰源封闭在了较小的环路内，从而抑制传导发射骚扰与辐射发射骚扰。

【处理措施】

开关电源变压器初级的共模噪声向次级噪声传递是开关电源产品EMI问题的一个主要原因，为截断这种传递的路径，需要在绕制变压器时，在初级与次级之间加上屏蔽层，并接至直流地上或直流的高压端。小成本将带来大的收获。

为了保证发挥屏蔽层良好的隔离作用，屏蔽层与直流地或直流的高压端连接要保证“零阻抗”,这是屏蔽效果好坏的关键。实践证明，具有长宽比小于5,且没有任何缝隙、通孔的单一金属导体具有极低的阻抗。

【思考与启示】

(1)在变压器中采用屏蔽技术，可以有效地抑制开关电源中共模噪声向后一级电路传输。这种屏蔽并非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0v,或接另一极）；电磁屏蔽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。

(2)类似这种屏蔽技术在开关电源中还有一种应用，如功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗，为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘，这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容，即图2.49中的Cp，开关电源的底板是交流电源的地线，因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁骚扰耦合到交流输入端产生共模干扰，解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，割断RF 骚扰向输入电网传播的途径。

注：以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》