開關電源系列（六）反激變壓器EMI問題分析調試與設計
反激變壓器EMI影響分析調試與設計
反激變壓器是反激式開關電源的核心器件，是影響反激電源電磁兼容特性的關鍵器件，其原、副邊分布電容是共模噪聲的傳輸路徑，其阻抗參數，對傳導共模噪聲的大小和特性都有著非常重要的影響。
反激變壓器作為噪聲產生的源，產生噪聲的原因主要有：
ü反激變壓器初次級存在漏感，漏感產生漏磁場空間輻射，漏感與功率器件寄生參數（尤其是寄生電容）形成的寄生振蕩是傳導騷擾與輻射騷擾的源頭。
ü反激變壓器線圈繞組流過的高頻脈沖電流，形成高頻磁場輻射，是輻射干擾的重要源頭。
ü反激變壓器漏感的存在使得開關管開關瞬間，形成高頻電壓振蕩與電壓尖峰是傳導騷擾與輻射騷擾的源頭。
ü反激變壓器在共模噪聲傳輸中可以起到濾波器的作用，其對共模噪聲抑制的能力取決于共模噪聲在變壓器內部傳輸時的容性分布參數的等效阻抗。
一、反激變壓器漏感對EMI的影響分析與設計優化
什么是漏感漏感：
當兩個存在磁路匝鏈關系的自感，磁通沒有完全耦合，就有了漏磁通，就產生了漏感；初級繞組和次級繞組不能完全耦合，就會存在漏感，漏感是反激開關變壓器的重要指標。
漏感的影響分析：
漏感的存在可以與電路中的電容或者變壓器繞組之間的分布電容構成振蕩回路，滿足振蕩條件后，產生振蕩，向外輻射電磁能量，造成電磁干擾。
反激電路控制開關MOS管關斷瞬間會在反激變壓器漏感兩端產生反電動勢，尖峰電壓不加以處理容易擊穿開關MOS管。因此，漏感對電路性能和轉換效率的影響特別重要。
如何減小反激變壓器漏感：
反激變壓器的漏感與初次級線圈的圈數、初級線圈的耦合程度、磁芯材質、磁芯氣隙、線圈繞制平整度及寬度等因素相關；減小反激變壓器漏感的措施如下：
ü減少初次級繞組的匝數
ü增大繞組寬度
ü增加初次級繞組之間的耦合程度（三明治繞法）
ü選用高飽和磁感應強度、低損耗的磁性材料
ü減小氣隙，對改善漏感比較明顯
ü繞線密度、平整度也會影響漏感
二、反激變壓器共模噪聲耦合分析與設計優化
在反激開關電源中，共模電流主要有兩條路徑。一是從原邊MOS管的漏極通過對參考地的分布電容形成的電流路徑，流過LISN后返回源頭；此種情況通過將MOS管散熱片接地即可將共模電流旁路到源端基本可以解決。二是通過變壓器初次級分布電容耦合到副邊，再通過副邊對參考地的分布電容形成電流路徑，流過LISN后返回源頭；此種情況相對復雜，需要通過變壓器設計來解決，是EMI工程師面臨的挑戰。
2.1、反激變壓器等效電路模型
變壓器繞組的電場特性及其EMI效應：
變壓器原副邊繞組本身存在電場耦合，即原副邊繞組自身的分布電容，此分布電容對EMI的貢獻相對較小。變壓器原副邊繞組間電場耦合，即原副邊繞組間的分布電容，此電容將原邊開關噪聲耦合到副邊，并通過副邊與參考地間的分布電容（或者副邊接參考地）耦合到LISN，被EMI接收機拾取到，造成傳導測試超標；同時，形成的電流環路為輻射發射提供了耦合路徑。
單繞組變壓器寄生電容及等效模型：
雙繞組變壓器寄生電容及等效模型：
多繞組變壓器等效模型：
根據反激變壓器等效模型可知，解決反激變壓器原副邊共模噪聲耦合的主要方案是：增加共模濾波器插入損耗，減小反激變壓器分布電容。
2.2降低反激變壓器共模耦合電容的方法：
ü增加原邊繞組間的距離
ü減小原副邊繞組間的面積
ü采用低介電系數的絕緣膠帶
ü原副邊采用更完全的屏蔽
ü改變電位分布
ü增加原副邊跨接電容補償
2.3、信號發生器+示波器測量反激變壓器共模噪聲電流
變壓器共模噪聲電流測試原理圖
測試原理圖說明：
üCps是原邊對副邊的分布電容
üCsp是副邊對原邊的分布電容
üCpsh是原邊對屏蔽繞組的分布電容
üCssh是副邊對屏蔽繞組的分布電容
ü根據基爾霍夫節點電流定律得出共模電流的計算公式如下：
多繞組變壓器測試方法示意圖及說明
變壓器共模電流測試設備說明
變壓器共模電流測試結果說明
理論上希望原副邊的分布電容為零是最好的，這樣就原副邊就不存在共模電流，實際上是無法做到的。設計中盡可能的使其越小越好，就如右圖中2和4，三角波是信號源。
變壓器共模噪聲實際測試波形
2.4、反激變壓器共模噪聲電流設計優化
（一）改變變壓器繞組線端點位降低共模有效電容
兩個導體互相絕緣的導體之間，中間加入介質就構成了電容，電容的容值的大小受到兩者之間平行長度，距離、介質材料影響，在介質、平行長度都不改變的前提下，增大兩者之間的距離是降低容值最簡單易行的辦法。
將動點與靜點位置互換，靜點本身就起到了電場屏蔽作用，靜點在兩個動點之間的情況下，理論是可以實現的。
（二）原副邊增加屏蔽降低共模噪聲電流
由于屏蔽層屏蔽作用，變壓器原副邊的共模電荷感應大大降低，相當于原副邊的共模有效電容在減小，屏蔽的最終目的是減小共模電流。
最優化屏蔽是共模電流為零
（三）通過跨接電容補償
對變壓器的優化，核心問題將產生噪聲的等效電容減小至零。如何來減小等效電容，可以通過原副邊增加補償電容的方式來解決。如果是過補償可以在副邊高電位動點到原邊地之間增加跨接電容；如果是欠補償則可以在原邊高電位和副邊地之間增加跨接電容。
上圖中Qps=Qsp，即當Vp*Cps=Vs*Csp時，變壓器副邊的凈電荷將相互抵消為零。
Negative CADD1=-CBD Positive CADD2=n.CBD
（四）通過變壓器繞組設計減小EMI
對于相鄰繞組來說，如果繞組是均勻且緊密繞制的，其總電容是可以用間距為d，相對面積為2πrh的平板電容器來計算的。,其中d為繞組間距，h為繞組高度，r為繞組對磁芯中心的距離。
繞組兩端的dv/dt已知，假設此dv/dt沿繞組均勻變化，則相鄰繞組間流過的共模電流可以積分求得。簡單結論，相鄰繞組間的共模電流，與相鄰繞組的dv/dt的平均值的差成正比。因此，設計時的原則即是盡量減小相鄰原副邊繞組的dv/dt之差。
繞組設計的原則是：原邊繞組與緊鄰的副邊繞組電壓差越小，則兩者之間在繞組均勻繞制時的dv/dt就越小，原副邊的共模耦合電流就越小。
原副邊之間dv/dt的方向和變壓器繞組的極性是有關系的，也與電路的拓撲結構有關。副邊整流二極管或同步整流二極管在正極或者負極，對EMI性能影響很大，應引起重視。
副邊整流二極管或者同步整流二極管放在負極時，會使原邊耦合到副邊的共模電流無法回流到原邊，通過副邊對地分布電容到參考地回流到源端，使原邊到副邊的電流，與副邊到原邊的電流同向，共模電流加劇。
同步整流原副邊共模電流噪聲總是同方向增強的
（五）增加補償繞組降低共模電流
傳統方法在原副邊之間增加銅箔屏蔽并將其接原邊地的方法，可有效降低原副邊之間的dv/dt，從而降低共模電流。磁場穿過銅箔產生渦流效應的同時，降低了原副邊的磁場耦合，增加了功率損耗，且生產效率降低。
使用補償繞組，即可以達到降低原副邊之間dv/dt，抑制共模電流，還可以改善原副邊之間的磁場耦合，減小功率損耗。補償繞組是一個一端接地，另一端懸空的繞組，優勢是便于自動化生產，且使用靈活。
下圖給出了兩電容模型中共模電流為正值時的接法：既可以從原邊地開始，以相對原邊的相反極性繞制，也可以從副邊高電位開始，以相對副邊的相同極性繼續繞制。繞制完成后，可以通過測量電容來確定變壓器已經達到平衡。
補償屏蔽繞組的靈活應用
傳導測試數據對比
測試說明：
ü黑色是未增加屏蔽的傳導測試數據。
ü深藍色是使用銅箔屏蔽的傳導測試數據。
ü紫紅色是使用補償屏蔽繞組的傳導測試數據。
ü結論是使用補償繞組效果是最優。
（六）調整反激變壓器共模有效電容的各種方法總結
外加補償電容
調整絕緣層厚度
調整繞線方式
引入等電位導體
調整屏蔽體面積
三、反激變壓器設計EMI問題案例
問題現象描述：
電源板卡傳導測試多片板卡時，發現300KHz頻點在最差的板卡上余量3dB，不滿足6dB設計余量管控標準要求。
整改前傳導測試數據
問題分析過程：
①對比分析問題現象跟隨板卡，與外部條件無關，判斷是板卡差異導致的一致性問題。
②將不良板卡與OK板卡關鍵器件互換，做排除試驗，其結果是不良現象跟隨反激變壓器單體，初步鎖定反激變壓器生產制造一致性問題。
③分別測試不良單體變壓器與OK單體變壓器的共模電流，發現共模電流越小，傳導余量越大，初步結論是與變壓器共模電流大小成相關聯。
變壓器共模電流與傳導測試數據對應表
④分別拆解OK變壓器與NG變壓器進行比對，發現OK變壓器繞線平整，疏密均勻，而NG變壓器繞線繞線緊密，疏密不均勻。
變壓器拆解對比圖
問題原因分析：
反激變壓器補償繞組繞線不平整，影響原副邊分布電容參數，引起不同變壓壓器共模電流離散性較大，導致變壓器傳導測試一致性問題。從不同單體反激變壓器共模電流測試數據來看，補償繞組過補償嚴重，是導致反激變壓器傳導一致性差的根本原因。
問題解決方案：
問題源頭是變壓器補償繞組過補償，改善措施是降低補償繞組圈數，從10匝降到5匝，測試反激變壓器共模電流降低到-37,再次進行傳導測試，300KHz頻點余量均≧16dB，改善效果非常明顯。
修改補償繞組后的傳導測試數據
問題長期改善方案：
已經批量板卡，由于變壓器是安規器件，客戶已經認證完成，繼續使用改善前的變壓器型號。新開案項目使用改善后的變壓器型號，并逐步淘汰舊型號變壓器。
