基于開關(guān)電源變壓器漏磁電磁兼容失效問題研究

化雪薈

(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000)

0 引言

開關(guān)電源是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，具有功耗小、效率高、體積小重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制、軍工設(shè)備、電力設(shè)備、通訊設(shè)備等領(lǐng)域。

開關(guān)電源工作原理主要利用切換的晶體管大部分是在飽和區(qū)和截止區(qū)之間切換，電壓的穩(wěn)壓通過調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時間來達到。開關(guān)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(guān)電源工作頻率高，普遍采用小尺寸、輕重量的變壓器，

開關(guān)電源的缺點是存在較為嚴重的開關(guān)干擾。開關(guān)穩(wěn)壓電源中，功率調(diào)整開關(guān)晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，此外由于開關(guān)穩(wěn)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(wǎng)，使附近的其他電子儀器、設(shè)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(chǎn)生的磁力線應(yīng)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(chǎn)生了漏磁。在開關(guān)電源電路中，由于變壓器靠近晶體管等，漏磁都會產(chǎn)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(shù)[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(tài)和空載狀態(tài)也不一樣，負載狀態(tài)時磁化電流用Iu表示，公式為：

式（1）中，H——磁場強度（A cm）根據(jù)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(shù)

其中：

式（6）中：ek為模型殘差，當有N+n對輸入輸出數(shù)據(jù)時，可以寫出N個方程組

式（7）中，

從而得到

2 開關(guān)電源變壓器電磁兼容整改

2.1 開關(guān)電源問題

開關(guān)電源輸出波形如圖1所示，有干擾現(xiàn)象，達不到合格要求。

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

從測試數(shù)據(jù)可以看出，測試頻率從0.15-30 MHZ，整個頻段內(nèi)超出的波形形態(tài)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(guān)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?；旌铣煞?。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(guān)管開關(guān)頻率的多次諧波，最主要的特點是呈倍數(shù)遞增的關(guān)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?；蚬材３煞值谋灰种贫魅?。綜合上述實驗結(jié)論和經(jīng)驗，可以總結(jié)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(chǎn)品的電路原理設(shè)計、PCB布局、元器件布局、元器件選擇、材料設(shè)計、空間結(jié)構(gòu)、接地與濾波設(shè)計、軟件程序控制等。在實踐的整改工作中，技術(shù)人員要擁有較強的電路設(shè)計分析能力和豐富的整改經(jīng)驗以外，同時需要備配相應(yīng)的測量測試設(shè)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(lián)適當?shù)牟钅ｋ姼小Α吧椒宀ā?，通常是增加共模電容，即線對地并聯(lián)電容，也可在輸入線上繞制磁環(huán)或串聯(lián)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(guān)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(guān)管輸入輸出端并聯(lián)合適的RC或C吸收器件，如圖2所示。另外開關(guān)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(guān)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(huán)，在線包外面包一層銅皮，漏磁通穿過短路環(huán)時，在短路環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，渦流產(chǎn)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(huán)后，x方向漏磁最小，如圖4所示。

圖3 變壓器漏磁短路環(huán)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(qū)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(cè)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(cè)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(yīng)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(cè)邊屏蔽實例圖Fig.6 Example of side shielding

圖7 線包側(cè)和邊柱側(cè)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(jié)論

針對開關(guān)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(dǎo)干擾問題。對于傳導(dǎo)性質(zhì)的干擾，在開關(guān)管腳增加磁環(huán)和屏蔽變壓器電源線，在被測端口選擇適合參數(shù)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(shù)據(jù)Fig.8 Measurement data of unshielded transformer

圖9 已屏蔽變壓器測量數(shù)據(jù)Fig.9 Measurement data of shielded transformer