CN107610929A - 反激式开关电源变压器屏蔽绕组的设计方法 - Google Patents
反激式开关电源变压器屏蔽绕组的设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种反激式开关电源变压器屏蔽绕组的设计方法，包括：(1)选定变压器并确定变压器屏蔽绕组的连接方式，测定变压器的结构尺寸；(2)设置屏蔽绕组的绕组匝数为固定值，利用仿真软件得到不同屏蔽绕组匝数下，变压器各绕组之间的结构电容；(3)计算在不同屏蔽绕组匝数下，变压器中的共模电流等效系数，并绘制共模电流等效系数与屏蔽绕组匝数的函数关系特征曲线；(4)根据绘制出的特征曲线求得共模电流等效系数最小时的屏蔽绕组匝数，即为抑制变压器共模电流的最佳屏蔽绕组匝数。与现有共模抑制技术相比，本发明方法装置制作简单、实现成本低、减轻装置整体重量和体积且抑制效果明显等优点。
Description
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变压器屏蔽绕组的设计方法。
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EMC标准，因此开关电源产品设计中往往有一定的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。
现有技术下的通常做法是采用共模滤波器对共模干扰进行抑制，为了达到标准，设计的共模滤波器往往十分笨重，增加了装置整体的重量和体积；也有采用引入屏蔽层的方法对共模噪声进行削减，这种做法相较于共模滤波器有改进，抑制效果也不错，但是在实际变压器制作中不够方便，且屏蔽层的选择涉及的变量过多，制作精度无法保证。
而采用绕组屏蔽的方式进行共模噪声抑制，在保证抑制精度的同时，方便了实际生产中的制作，如图1(a)所示为无屏蔽绕组引入时的变压器共模电流传输路径，图1(b)所示为引入绕组屏蔽时的共模电流传输路径。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，设计合适的屏蔽绕组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。
实际设计中，在不改变变压器的原副边的条件下引入屏蔽绕组，且为了实现最好的共模噪声抑制效果，只需要调整屏蔽绕组的匝数，操作简单易行。但是现阶段的设计往往是根据经验，反复绕制测试得到预期的目标，缺少实现正向定量设计的解决方案。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种反激式开关电源变压器屏蔽绕组的设计方法，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变压器屏蔽绕组的设计方法，包括如下步骤：
(1)为反激式开关电源选定变压器并确定变压器屏蔽绕组的连接方式，进而测定除屏蔽绕组层匝数Nsh外的其他变压器结构参数；
(2)对于变压器中任一对相邻原副边绕组层，利用仿真软件计算出不同屏蔽绕组层匝数Nsh下该相邻原副边绕组层之间的结构电容以及其中屏蔽绕组层与副边绕组层之间的结构电容；
(3)根据仿真得到的上述结构电容，计算出不同屏蔽绕组层匝数Nsh下变压器的共模电流等效系数Ck(total)，进而绘制出各屏蔽绕组层匝数与共模电流等效系数Ck(total)的特征关系曲线；
(4)对于所要设计的某一屏蔽绕组层，则先固定好其他各屏蔽绕组层的匝数，然后判断所述特征关系曲线在坐标系中是否与轴线Ck(total)＝0有交叉：若是，则使该交叉点所对应的匝数Nsh作为该屏蔽绕组层抑制变压器共模电流的最佳屏蔽绕组匝数；若否，则适当调整其他任一屏蔽绕组层的匝数，直至所述特征关系曲线在坐标系中与轴线Ck(total)＝0交叉并提取交叉点所对应的匝数Nsh作为该屏蔽绕组层抑制变压器共模电流的最佳屏蔽绕组匝数。
所述变压器屏蔽绕组的连接方式是指屏蔽绕组与原边绕组连接时，存在屏蔽绕组高压端接地或低压端接地两种情况。
所述变压器结构参数包括原边绕组层宽度Wp、副边绕组层宽度Ws、屏蔽绕组层宽度Wsh、屏蔽绕组层周长Lsh、屏蔽绕组层厚度Tsh、原边绕组层匝数Np、副边绕组层匝数Ns、屏蔽绕组层匝数Nsh以及屏蔽绕组层位置H，所述屏蔽绕组层位置H表示为屏蔽绕组层底端与原边绕组层底端之间的垂直距离。
优选地，所述屏蔽绕组层位置H设定为0即屏蔽绕组层底端与原边绕组层底端齐平，为便于操作。
所述步骤(3)中通过以下公式计算变压器的共模电流等效系数Ck(total)：
其中：Ckj为变压器中第j对相邻原副边绕组层之间的共模电流等效系数，n为变压器中相邻原副边绕组层的对数。
对于变压器中任一对相邻原副边绕组层，当屏蔽绕组低压端接地时，该相邻原副边绕组层之间共模电流等效系数Ck的表达式如下：
当屏蔽绕组高压端接地时，该相邻原副边绕组层之间共模电流等效系数Ck的表达式如下：
其中：Np0和Ns0分别为原边绕组和副边绕组的低压端电压，Np和Ns分别为原边绕组层和副边绕组层的匝数，Wp为原边绕组层的宽度，Wsh为屏蔽绕组层的宽度，H为屏蔽绕组层底端与原边绕组层底端之间的垂直距离，Cps0为该相邻原副边绕组层之间的结构电容，Cssh0为屏蔽绕组层与副边绕组层之间的结构电容。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
(1)具体实现装置制作方便，生产成本低；屏蔽绕组的绕制和原副边绕组的绕制完全一样，所用的材料也完全相同，在变压器制作过程中不会引入额外过多的任务，而且设定屏蔽绕组的底端与原副边绕组的底端等高，保证了实际的制作的准确性与可靠性。
(2)减轻了滤波装置的设计任务，同时减小了装置的整体体积和重量；普通装置中，共模滤波器的设计是一个繁重的任务，而且共模滤波器的引入，往往会极大增加装置整体重量和体积，本发明通过屏蔽绕组的设计，减轻了共模滤波器的滤波标准，从而减少了装置的整体体积和重量。
(3)共模抑制效果明显；采用本发明方法可以达到比较理想的共模噪声抑制效果。
附图说明
图1(a)为无绕组屏蔽的反激式开关电源共模电流传播路径示意图。
图1(b)为绕组屏蔽的反激式开关电源共模电流传播路径示意图。
图2(a)为屏蔽绕组低压侧接地示意图。
图2(b)为屏蔽绕组高压侧接地示意图。
图3(a)为屏蔽绕组在变压器中的剖视图。
图3(b)为屏蔽绕组在变压器中的俯视图。
图4为共模电流等效系数与屏蔽绕组匝数的关系曲线图。
图5为变压器的绕组电路原理示意图。
图6为变压器的绕组结构剖视图。
图7为共模噪声频谱与屏蔽绕组匝数的关系曲线图。
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绕组设计方法，通过仿真软件得到采用不同屏蔽绕组匝数条件下，变压器各绕组(包括原副边绕组、原副边辅助绕组和屏蔽绕组)之间的结构电容，再利用共模电流等效系数公式绘制出共模电流等效系数与屏蔽绕组匝数的函数关系特征曲线，最后确定共模电流最小时的屏蔽绕组匝数，具体包括如下步骤：
(1)选定变压器并确定变压器屏蔽绕组的连接方式，测定变压器的结构尺寸。
变压器各绕组(包括屏蔽绕组)之间的结构电容受屏蔽绕组的连接方式(如图2(a)和图2(b)所示)、变压器的磁芯、绕组的绕制方式、气隙、屏蔽绕组的高度H等均有关系。这些参数在进行软件仿真时都是必须的，因而在仿真计算开始之前设定这些影响因素为固定值，并进行相关的结构尺寸的测量。固定屏蔽绕组在该层中的位置H应为足以使共模电流等效系数等于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。
(2)设置屏蔽绕组的绕组匝数为固定值，利用仿真软件得到不同屏蔽绕组匝数下，变压器各绕组之间的结构电容。
变压器各绕组(含屏蔽绕组)间的结构电容与各绕组(含屏蔽绕组)结构有关，即均是关于Wp、Ws、Wsh、Lsh、Tsh、H、Nsh的函数。因此选定好Wp、Ws、Wsh、Lsh、Tsh、H等参数后，结构电容仅与屏蔽绕组的匝数Nsh有关，通过有仿真软件得到不同屏蔽绕组匝数下的结构电容，可用来判断在不同屏蔽绕组匝数下共模电流的抵消情况。
当绕组有多层时，应在相邻的原副边绕组层之间添加一层屏蔽绕组，每两相邻原副边绕组层之间的结构设计均如上述方法，仿真模型如图3(a)和图3(b)所示。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Cps0和Cssh0均可通过仿真得到；按照实际，调整屏蔽绕组匝数，可以得到一系列仿真结构电容Cps0和Cssh0。
(3)计算在不同屏蔽绕组匝数下，变压器中的共模电流等效系数，并绘制共模电流等效系数与屏蔽绕组匝数的函数关系特征曲线。
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共模电流等效系数计算公式中：
当低压端接地时，计算方法为：
当高压端接地时，计算方法为：
将每对相邻原副边绕组之间的共模电流等效系数带入下列共模电流等效系数Ck(total)计算公式进行累加求和，从而得到在一定屏蔽绕组匝数条件下变压器总的共模电流等效系数Ck(total)。
将步骤(2)中所有可操作的屏蔽绕组匝数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绕组匝数下的共模电流等效系数。
(4)根据绘制出的特征曲线求得共模电流等效系数最小时的屏蔽绕组匝数，即为抑制变压器共模电流的最佳屏蔽绕组匝数。
若变压器绕组结构为双层(仅有原边绕组层和副边绕组层)，则仅有一个屏蔽绕组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Ck(total)＝f(Nsh)。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绕组，则屏蔽绕组应有n个，那么绘制出来的曲线应为n维曲线Ck(total)＝g(Nsh1,Nsh2,...,Nshn)，能使这n个屏蔽层宽度下的共模电流等效系数等于0的屏蔽绕组匝数即为最佳屏蔽绕组匝数。为便于操作，固定好其中的n-1个屏蔽绕组匝数，改变剩下的第n个屏蔽绕组匝数，则n维曲线化成一维曲线Ck(total)＝g(Nshk)，如图4所示。根据绘制出的曲线找出Ck(total)＝0时的Nshk的值即为所需设计的屏蔽绕组匝数值。
需要说明的是，在某种屏蔽绕组的连接方式下，上述曲线可能无法实现与x轴相交。如果没有达到预期设定的抑制效果，则可以改变剩余的n-1个屏蔽绕组匝数中的一个，再重复步骤(2)至步骤(4)，直至找到满足设计要求的屏蔽绕组匝数。如果达到设定的预期，则无需追求某一绕组匝数，使得Ck(total)＝0；因为在实际生产中，为了绕线的方便，往往绕制整数匝，而仿真得到的共模电流等效系数曲线的零点可能是小数，所以该方法的借鉴参考意义大于实际的严格绕制。
下面将结合反激式开关电源的变压器屏蔽绕组设计实例，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电路原理如图5所示，变压器的结构如图6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为屏蔽绕组，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 |
| N1 | 6匝 | N2,N3 | 14匝 |
| N4 | 5匝 | N5 | 3匝 |
| H1 | 5.7mm | H2 | 5.15mm |
| H3 | 4.7mm | Wsh1 | 2.6mm |
| Wsh2 | 3.15mm | Wsh3 | 3.6mm |
| Nsh1 | 6匝 | Nsh2 | 7匝 |
| Nsh3 | 8匝 | Wp(4-5) | 6.84mm |
| Wp(3-4) | 6.84mm | Wp(1-2) | 2.65mm |
设置屏蔽绕组S1～S3匝数Nsh1～Nsh3为固定值，选择最外层绕组的匝数为1～9匝。当屏蔽绕组高电压端接地时，将仿真得到的各结构电容代入共模电流等效系数，如图4中实线条标记所示。当屏蔽绕组低电压端接地时，将仿真得到的各结构电容代入共模电流等效系数，如图4中虚线条标记所示。由图4可以看出，当屏蔽绕组高电压端接地时，其共模电流系数曲线的零点在5匝附近。当匝数小于5匝时，得到的共模电流等效系数随着匝数的增加而减小且大于0；而当匝数大于5匝时，得到的共模电流等效系数随着匝数的增加越过了x轴，且不断向着远离x轴的方向延伸。当屏蔽绕组低电压端接地时，其共模电流等效系数随着匝数的增加先减小后增大且恒大于0，并在最外层绕组匝数为5匝附近达到最小。相应的，仿真得到的共模电流噪声分别如表2(屏蔽绕组高电压端接地)和表3(屏蔽绕组低电压端接地)所示：
表2
表3
为验证其有效性，实际测量得到的共模噪声频谱随屏蔽绕组最外层匝数变化关系如图7所示。从实际测得的共模噪声的频谱可以看出，实际效果与仿真得到的结果有较好的一致性，但考虑到实际的绕制、测量误差等，使得仿真结果与实测存在稍许误差。
上述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 (6)
1.一种反激式开关电源变压器屏蔽绕组的设计方法，包括如下步骤：
(1)为反激式开关电源选定变压器并确定变压器屏蔽绕组的连接方式，进而测定除屏蔽绕组层匝数Nsh外的其他变压器结构参数；
(2)对于变压器中任一对相邻原副边绕组层，利用仿真软件计算出不同屏蔽绕组层匝数Nsh下该相邻原副边绕组层之间的结构电容以及其中屏蔽绕组层与副边绕组层之间的结构电容；
(3)根据仿真得到的上述结构电容，计算出不同屏蔽绕组层匝数Nsh下变压器的共模电流等效系数Ck(total)，进而绘制出各屏蔽绕组层匝数与共模电流等效系数Ck(total)的特征关系曲线；
(4)对于所要设计的某一屏蔽绕组层，则先固定好其他各屏蔽绕组层的匝数，然后判断所述特征关系曲线在坐标系中是否与轴线Ck(total)＝0有交叉：若是，则使该交叉点所对应的匝数Nsh作为该屏蔽绕组层抑制变压器共模电流的最佳屏蔽绕组匝数；若否，则适当调整其他任一屏蔽绕组层的匝数，直至所述特征关系曲线在坐标系中与轴线Ck(total)＝0交叉并提取交叉点所对应的匝数Nsh作为该屏蔽绕组层抑制变压器共模电流的最佳屏蔽绕组匝数。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述变压器屏蔽绕组的连接方式是指屏蔽绕组与原边绕组连接时，存在屏蔽绕组高压端接地或低压端接地两种情况。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述变压器结构参数包括原边绕组层宽度Wp、副边绕组层宽度Ws、屏蔽绕组层宽度Wsh、屏蔽绕组层周长Lsh、屏蔽绕组层厚度Tsh、原边绕组层匝数Np、副边绕组层匝数Ns、屏蔽绕组层匝数Nsh以及屏蔽绕组层位置H，所述屏蔽绕组层位置H表示为屏蔽绕组层底端与原边绕组层底端之间的垂直距离。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：所述屏蔽绕组层位置H设定为0即屏蔽绕组层底端与原边绕组层底端齐平。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过以下公式计算变压器的共模电流等效系数Ck(total)：
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其中：Ckj为变压器中第j对相邻原副边绕组层之间的共模电流等效系数，n为变压器中相邻原副边绕组层的对数。
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：对于变压器中任一对相邻原副边绕组层，当屏蔽绕组低压端接地时，该相邻原副边绕组层之间共模电流等效系数Ck的表达式如下：
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当屏蔽绕组高压端接地时，该相邻原副边绕组层之间共模电流等效系数Ck的表达式如下：
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其中：Np0和Ns0分别为原边绕组和副边绕组的低压端电压，Np和Ns分别为原边绕组层和副边绕组层的匝数，Wp为原边绕组层的宽度，Wsh为屏蔽绕组层的宽度，H为屏蔽绕组层底端与原边绕组层底端之间的垂直距离，Cps0为该相邻原副边绕组层之间的结构电容，Cssh0为屏蔽绕组层与副边绕组层之间的结构电容。
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