CN105609300B - 一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法，包括：1)测量估算变压器的结构及电气参数；2)设置屏蔽层长度为该层圆周长，厚度根据实际供应设置，该层的位置为适当值，利用有限元分析软件仿真出在不同屏蔽层宽度下，变压器原副边绕组之间的结构电容及副边绕组与屏蔽铜箔层之间的结构电容；3)计算不同屏蔽层宽度下，变压器中的共模评估等效电容，并绘制关于共模评估等效电容‑屏蔽层宽度的特征曲线；4)根据绘制出的特征曲线求得共模评估等效电容等于0时的屏蔽层宽度，即为抑制变压器共模电流的最佳屏蔽层宽度。与现有共模抑制技术相比，本发明方法实现简单、成本低、能减轻共模滤波器的体积和重量及抑制效果明显等优点。

Description

一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法

技术领域

本发明属于变压器设计技术领域，具体涉及一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法。

背景技术

反激式开关电源由于具有隔离功能，广泛应用于通信、服务系统和小功率电子设备中。这些设备都需要满足相关的电磁兼容(EMC)标准，因此开关电源产品设计中往往有一定的电磁干扰(EMI)滤波措施。而伴随着开关器件越来越好的开关特性，高的dv/dt和di/dt带来严重的EMI问题。这些严重的EMI问题一方面会使电源产品难以达到相关EMC标准，另一方面即使达到相关EMC标准，有时也会在较敏感的负载侧形成共模噪声，对电子负载造成严重干扰。

采用滤波器对共模干扰进行抑制可以降低EMI水平，但却增加了电源装置的体积和重量。如图1所示，反激式开关电源的共模干扰源包括原边MOSFET和副边二极管，由于二者产生的共模电流方向相反，设计合适的屏蔽层可以抵消变压器中的共模电流，从而在不增加滤波器体积和重量的情况下降低共模噪声的水平。

变压器中的屏蔽层物理参数主要包括屏蔽层长度L_sh、宽度W_sh和厚度T_sh，当屏蔽层置于变压器中时，其物理参数还包含屏蔽层的位置H(即屏蔽层底端与原边绕组底端之间的距离)，如图2(a)～图2(c)所示。屏蔽层的设计方法主要是指对这四个物理参数的设计方法。

若不使用屏蔽层，由于原边MOSFET与副边二极管产生的共模电流并不相等，变压器中的共模电流无法抵消，则负载侧的共模噪声水平较高。若使用传统的屏蔽层(即W_sh＝W_p)对整个变压器绕组窗口进行屏蔽，则可以对MOSFET产生的共模电流大幅抑制，但却无法有效抑制二极管产生的共模电流，变压器中总的共模电流仍然较大。若屏蔽层的宽度或长度不足以覆盖整个绕组窗口，则原副边的共模电流均不为零，但方向相反，在变压器中抵消，变压器中总的共模电流则会小于不使用屏蔽层或使用传统屏蔽层时的共模电流。理论上，固定好屏蔽层的宽度、厚度和位置，适当调整长度；或者固定好屏蔽层的长度、厚度和位置，适当调整宽度均可以使变压器中的共模电流最小，从而将负载侧的共模噪声抑制到最低水平，但如何定量设计这些指标却是业内长期难以很好实现的课题。

发明内容

为了克服现有技术对共模干扰抑制不足的技术问题，本发明提供了一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法，该方法不会增加滤波器设计的负担，整个设计过程采用仿真和计算，不会增加额外的成本。

一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法，包括如下步骤：

(1)测量获取变压器的结构参数及电气参数，并初始化设定变压器屏蔽层的位置；

(2)利用有限元分析软件仿真出在不同屏蔽层宽度W_sh下变压器中相邻原副边绕组之间的结构电容以及副边绕组与屏蔽层之间的结构电容；

(3)根据仿真得到的上述结构电容，计算不同屏蔽层宽度W_sh下变压器中的共模评估等效电容C_k(total)，进而绘制得到关于W_sh-C_k(total)的特征曲线；

(4)判断所述的特征曲线在坐标系中是否与轴线C_k(total)＝0有交叉：若是，则使该交叉点所对应的屏蔽层宽度以及当前的屏蔽层位置组合作为抑制变压器共模电流的最佳屏蔽层设计方案；若否，则调整屏蔽层位置并返回执行步骤(2)，直至得到的特征曲线在坐标系中与轴线C_k(total)＝0交叉。

在对变压器屏蔽层设计之前，设定屏蔽层的长度为其圆周长，屏蔽层的厚度则根据其实际所选用的材料厚度而定，故这两个参数均事先选定为常数。

所述的步骤(3)中通过以下公式计算变压器中的共模评估等效电容C_k(total)：

其中：C_kj为变压器中第j对相邻原副边绕组之间的等效电容评估值，n为变压器中相邻原副边绕组的对数。

变压器中任一对相邻原副边绕组之间等效电容评估值C_k的表达式如下：

其中：N_p0和N_s0分别为原边绕组和副边绕组的低压端电压，N_p和N_s分别为原边绕组和副边绕组的匝数，W_p为原边绕组的宽度，H为屏蔽层底端与原边绕组底端之间的垂直距离，C_ps0为原副边绕组之间的结构电容，C_ssh0为副边绕组与屏蔽层之间的结构电容。

优选地，所述的屏蔽层采用铜箔层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明变压器装置简单可行，成本低。屏蔽层材料为铜箔层，成本低，且易于购买，设计出来后的变压器只是在结构上增加了屏蔽铜箔层，装置相比滤波器的设计更简单。与传统屏蔽层相比，本发明方法仅仅依靠改变屏蔽层的宽度就实现了对共模噪声的抑制，不会额外增加产品成本。

(2)本发明减少了变压器装置的重量和体积。屏蔽层本身较轻，且厚度较薄，不会增加变压器或整个电源装置的重量或体积。通过设计变压器中合适的屏蔽层在一定程度上抑制了共模噪声，减轻了共模滤波器的设计负担，可以适当减小滤波器的重量和体积，从而减少整个装置的重量和体积。

(3)本发明共模噪声抑制效果显著。使用本发明方法设计出来的变压器屏蔽层对反激电路负载侧的共模噪声进行抑制，与采用传统屏蔽层的共模噪声抑制效果相比明显更低。

附图说明

图1为反激式开关电源的共模电流传播路径示意图。

图2(a)为屏蔽层平面展开后的物理参数示意图。

图2(b)为屏蔽层在变压器中的剖视图。

图2(c)为屏蔽层在变压器中的俯视图。

图3为关于共模评估等效电容-屏蔽层宽度的特征曲线示意图。

图4为原副边绕组之间的结构电容分布示意图。

图5为副边绕组与屏蔽层之间的结构电容分布示意图。

图6为变压器的原理图。

图7为变压器的结构剖视图。

图8(a)是屏蔽层宽度为2mm时反激开关电源负载侧的共模噪声频谱图。

图8(b)是屏蔽层宽度为3mm时反激开关电源负载侧的共模噪声频谱图。

图8(c)是屏蔽层宽度为3.5mm时反激开关电源负载侧的共模噪声频谱图。

图8(d)是屏蔽层宽度为4mm时反激开关电源负载侧的共模噪声频谱图。

图8(e)是屏蔽层宽度为5mm时反激开关电源负载侧的共模噪声频谱图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法，通过有限元分析软件仿真出不同的屏蔽层宽度下原副边绕组之间的结构电容和副边绕组与屏蔽层之间的结构电容，再利用共模电流评估公式计算出共模电流最小时屏蔽层宽度，具体包括如下步骤：

(1)测量估算变压器的绕组直径、铜箔层厚度、绕组间距等结构尺寸。

变压器绕组与屏蔽层之间的结构电容与绕组结构和屏蔽层结构有关，因此需要固定变压器各结构参数。根据电源装置的需求设计好变压器的磁芯、气隙、绕制方式、绕组匝数和线径后，按照绕组线径、绝缘胶布厚度、屏蔽层的厚度估算出绕组的宽度及绕组之间的间距。为便于控制绕组宽度和位置一致，将变压器绕组均进行紧密绕制，绕线起始点距变压器窗口底端的竖直距离均相等(或直接将绕组从变压器窗口底端开始绕制)。

(2)设置屏蔽层长度为该层圆周长，厚度根据实际供应设置，在该层中的位置为适当值，利用有限元分析软件仿真出在不同屏蔽层宽度下，变压器原副边绕组之间的结构电容及副边绕组与屏蔽铜箔层之间的结构电容。

屏蔽层的厚度根据实际情况选定，为便于操作，将屏蔽层的长度设置为变压器窗口周长，即长度完全覆盖变压器窗口。屏蔽层该层中的位置H应为足以使共模评估等效电容等于0的适当值，如不满足此条件，则需重新选定，为便于操作，本实施方式中选定：H＝0。

变压器绕组间及绕组与屏蔽层间结构电容与绕组结构和屏蔽层结构有关，即C_ps0＝f₁(W_p，W_s，W_sh，L_sh，T_sh，H)，C_ssh0＝f₁(W_p，W_s，W_sh，L_sh，T_sh，H)。因此选定好W_p、W_s、L_sh、T_sh和H等参数后，结构电容仅与屏蔽层的宽度W_sh有关，通过有限元分析软件仿真出不同屏蔽层宽度下的结构电容，可用来评估在不同屏蔽层宽度下共模电流的抵消情况。

当有多层绕组时，应在相邻的原副边绕组层之间添加一层屏蔽层，每两相邻原副边绕组层之间的结构设计均如上述方法，仿真模型均与图2(a)～图2(c)相似。在多层绕组结构的变压器中，每两相邻的原副边绕组层之间的结构电容C_ps0和C_ssh0均应通过仿真得到。按照实际可操作的屏蔽层宽度调整可能的屏蔽层宽度，可以得到一系列仿真结构电容C_ps0和C_ssh0。

(3)计算不同屏蔽层宽度下，变压器中的共模评估等效电容，并绘制共模评估等效电容关于屏蔽层宽度的特征曲线。

将步骤(2)中仿真得到的每对相邻原副边绕组层之间的结构电容带入下列关于原副边绕组之间等效电容评估值的计算公式中：

将每对相邻原副边绕组之间的等效电容评估值带入下列共模评估等效电容C_k(total)计算公式进行累加求和：

C_k(total)＝∑C_k

得到在一定屏蔽层宽度下的共模评估等效电容。

将步骤(2)中所有可操作的屏蔽层宽度下的仿真结构电容带入上述计算公式，可以得到所有可操作屏蔽层宽度下的共模评估等效电容。

(4)根据绘制出的特征曲线求得共模评估等效电容等于0时的屏蔽层宽度，即为抑制变压器共模电流的最佳屏蔽层宽度。

若变压器绕组结构为双层(仅有原边绕组层和副边绕组层)，则仅有一个屏蔽层插入原边绕组层和副边绕组层之间，则绘制出来的曲线为一维曲线C_k(total)＝f(W_sh)。若变压器绕组结构为多层，则不只一对相邻的原副边绕组层，假设有n对相邻的原副边绕组，每对相邻的原副边绕组层之间均插入一个屏蔽层，则屏蔽层应有n个。那么绘制出来的曲线应为n维曲线C_k(total)＝g(W_sh1，W_sh2…W_shn)。能使这n个屏蔽层宽度下的共模评估等效电容等于0的屏蔽层宽度即为最佳屏蔽层宽度。为便于操作，固定好其中的n-1个屏蔽层宽度，改变剩下的第n个屏蔽层宽度，则n维曲线化成一维曲线C_k(total)＝g(W_shk)，如图3所示。根据绘制出的曲线找出C_k(total)＝0时的W_shk的值即为所需设计的屏蔽层宽度值。

需要说明的是，若上述曲线不与x轴相交，则改变剩余的n-1个屏蔽层宽度中的一个，再重复步骤(2)至步骤(4)，直至能够找到C_k(total)＝0时所有的屏蔽层宽度值。

上述变压器屏蔽层设计方法的原理是原边MOSFET产生的共模电流与副边二极管产生的共模电流抵消。变压器匝数少，因此变压器原副边结构电容很小，在共模电流传导时的其共模阻抗很大，对共模电流的影响很大。由于共模电流属于位移电流，靠感应电荷进行电流传导，因此原副边绕组之间结构电容的分布跟电场分布有关。如图4所示，在屏蔽层的屏蔽效应下，原副边绕组之间的结构电容C_ps0全部分布在非屏蔽区域，而原边绕组的共模电压分布不等，所以屏蔽层的位置和宽度均会影响结构电容的分布。如图5所示，由于屏蔽层对副边绕组无屏蔽效应，则副边绕组与屏蔽层之间的结构电容均匀分布在副边绕组上。

尽管推导出来的共模电流与实际共模电流不相等，但由于变压器的共模电容阻抗较大，对共模电流的影响较大，因此通过调整变压器传导过程中的共模阻抗抵消原副边产生的共模电流可以使共模电流减小。理论分析与实验研究表明：对于圆柱形骨架变压器，本发明方法能通过调整变压器的结构电容使原副边产生的共模电流抵消，实现对负载侧共模噪声的抑制。

下面将结合反激式开关电源的变压器屏蔽层设计实例，对本发明具体实施方式做进一步详细描述。

本实施方式中采用的变压器原理如图6所示，变压器的结构如图7所示。原边绕组有1-2和3-4-5，副边绕组是6-7-8。W₁～W₇为绕组层，S₁～S₄为屏蔽层，各原副边绕组的物理参数及各屏蔽层物理参数如表1所示。

表1

参数	值	参数	值
					6匝		14匝
	5匝		3匝
					1.44mm		0mm
	4mm		6.84mm
					6.84mm		2.65mm

每相邻的两层原副边绕组之间的等效电容评估值可以通过有限元分析软件仿真得到，所有需要进行仿真和计算的相邻原副边绕组之间的等效电容评估值如表2所示，总共7个，即n＝7。每组相邻原副边绕组之间的结构电容C_ps0和C_ssh0都可以根据已经给出的参数值和仿真模型仿真得到，带入C_kj的计算公式可以算出各自的等效电容评估值，再计算出所有的等效电容评估值之和，即变压器中的共模评估等效电容。

表2

等效电容评估值

原边绕组层

副边绕组层

屏蔽层

仿真中，W_sh4的值分别选定为2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm和5mm，经过仿真，共模评估等效电容的计算结果如图3所示。从图中不难看出，W_sh4＝3.6mm时，共模评估等效电容约为零，则S₄的屏蔽层宽度设计为3.6mm。由于实际实验条件有限，仅仅比较了S₄屏蔽层宽度为2mm、3mm、3.5mm、4mm和5mm下反激电路负载侧测得共模噪声，各屏蔽层宽度下共模噪声的频谱图如图8(a)～图8(e)所示。将共模噪声的峰值绘制成表3，可以看到屏蔽层为3.5mm时反激电路负载侧共模噪声的峰值最小，其次，是屏蔽层宽度为4mm时的反激电路负载侧共模噪声较小，因此最佳屏蔽层宽度应介于3.5mm与4mm之间。反激电路负载侧共模噪声的比较结果表明，使用本实施方式得到的屏蔽层对共模噪声的抑制效果最佳。

表3

屏蔽层宽度(mm)	2	3	3.5	4	5
						共模噪声峰值(dBmV)	-10.22	-13.27	-20.38	-19.86	-11.22

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法，包括如下步骤：

(1)测量获取变压器的结构参数及电气参数，并初始化设定变压器屏蔽层的位置；

(2)利用有限元分析软件仿真出在不同屏蔽层宽度W_sh下变压器中相邻原副边绕组之间的结构电容以及副边绕组与屏蔽层之间的结构电容；

(3)根据仿真得到的上述结构电容，通过以下公式计算不同屏蔽层宽度W_sh下变压器中的共模评估等效电容C_k(total)，进而绘制得到关于W_sh-C_k(total)的特征曲线；

$C_{k\left(total\right)}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{kj}$

其中：C_kj为变压器中第j对相邻原副边绕组之间的等效电容评估值，n为变压器中相邻原副边绕组的对数；

变压器中任一对相邻原副边绕组之间等效电容评估值C_k的表达式如下：

$C_k=\[N_{p0}+\frac{H^2+W_p^2-{\left(H+W_{sh}\right)}^2}{2W_p\left(W_p-W_{sh}\right)}{N}_p-N_{s0}-\frac{1}{2}{N}_s\]C_{ps0}-\left(N_{s0}+\frac{1}{2}{N}_s\right)C_{ssh0}$

其中：N_p0和N_s0分别为原边绕组和副边绕组的低压端电压，N_p和N_s分别为原边绕组和副边绕组的匝数，W_p为原边绕组的宽度，H为屏蔽层底端与原边绕组底端之间的垂直距离，C_ps0为原副边绕组之间的结构电容，C_ssh0为副边绕组与屏蔽层之间的结构电容；

(4)判断所述的特征曲线在坐标系中是否与轴线C_k(total)＝0有交叉：若是，则使该交叉点所对应的屏蔽层宽度以及当前的屏蔽层位置组合作为抑制变压器共模电流的最佳屏蔽层设计方案；若否，则调整屏蔽层位置并返回执行步骤(2)，直至得到的特征曲线在坐标系中与轴线C_k(total)＝0交叉。

2.根据权利要求1所述的变压器屏蔽层设计方法，其特征在于：在对变压器屏蔽层设计之前，设定屏蔽层的长度为其圆周长，屏蔽层的厚度则根据其实际所选用的材料厚度而定，故这两个参数均事先选定为常数。

3.根据权利要求1所述的变压器屏蔽层设计方法，其特征在于：所述的屏蔽层采用铜箔层。