变压器对EMI的关系

开关电源中产生EMI的原因是什么？变压器内部设置屏蔽绕组抑制共模传导EMI的研究引言电磁兼容（ElectromagneTIc CompaTIbility，EMC）是指电子设备或系统在电磁环境下能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

它包括电磁干扰（EMI）和电磁敏感（EMS）两方面。

由于开关电源中存在很高的di /dt 和du /dt，因此，所有拓扑形式的开关电源都有电磁干扰的问题。

目前克服电磁干扰的技术手段主要有：在电源的输入、输出端设置无源或有源滤波器，设置屏蔽外壳并接地，采用软开关技术和变频控制技术等。

开关电源中，EMI 产生的根本原因在于存在着电流、电压的高频急剧变化，其通过导线的传导，以及电感、电容的耦合形成传导EMI。

同而电流、电压的变化必定伴有磁场、电场的变化，因此，导致了辐射EMI。

本文着重分析变压器中共模传导EMI 产生的机理，并以此为依据，阐述了变压器中不同的屏蔽层设置方式对共模传导EMI 的抑制效果。

1 高频变压器中传导EMI 产生机理以反激式变换器为例，其主电路如图1 所示。

开关管开通后，变压器一次侧电流逐渐增加，磁芯储能也随之增加。

当开关管关断后，二次侧整流二极管导通，变压器储能被耦合到二次侧，给负载供电。

图1 反激变换器在开关电源中，输入整流后的电流为尖脉冲电流，开关开通和关断时变换器中电压、电流变化率很高，这些波形中含有丰富的高频谐波。

另外，在主开关管开关过程和整流二极管反向恢复过程中，电路的寄生电感、电容会发生高频振荡，以上这些都是电磁干扰的来源。

开关电源中存在大量的分布电容，这些分布电容给电磁干扰的传递提供了通路，如图2 所示。

图2 中，LISN 为线性阻抗稳定网络，用于线路传导干扰的测量。

干扰信号通过导线、寄生电容等传递到变换器的输入、输出端，形成了传导干扰。

变压器的各绕组之间也存在着大量的寄生电容，如图3 所示。

图3 中，A、B、C、D 4 点与图1 中标识的4点相对应。

如何改善LAN变压器100MHz-500MHz频段的EMI特性在以太网隔离变压器的电性参数中, 共模抑制比CMRR(Common Mode Rejection Ratio)是衡量变压器对共模信号抑制效果的主要参数,基于IEEE802.3xx标准, 一般要求CMRR在1MHz-100MHz频率范围内必须达到-35dB以上, 但对于频率高于100MHz的CMRR没有具体规定, 参考以下Table 1.Table 1: IEEE.802.3 standard然而, 影响EMI特性的其中一个主要因素就是来自PHY芯片的内部时钟, 通常是以125MHz为基频的谐波, 此谐波频率高达875MHz, 见以下Figure 1.Figure 1: EMI Spectrum针对此高频谐波, 考虑到以太网的带宽一般不超过500MHz, 我们计划开发High Performance & Low EMI (HPLE) LAN 变压器, 包括Discrete Solution(单体LAN变压器) 和 Integrated Solution(集成RJ45连接器的LAN变压器), 能够有效提高100MHz-500MHz 频率范围的CMRR参数指标至-25dB 以上,见以下图示Figure 2.Figure 2: CMRR Curve举个例子,下图Schematic A为标准的10/100Base-T LAN变压器的原理图, 共模线圈靠近Cable端, EMI曲线如Figure 3, 100MHz-400MHz频段EMI 超标; Schematic B为HPLE 10/100Bse-T LAN变压器, 对比标准型, 在PHY端增加了三线共模线圈, 从EMI测试曲线Figure 4可以看出, 100MHz-400MHz频段的EMI得到了有效抑制.Schematic A: CMC on Cable side Figure 3: EMI Spectrum based on Schematic ASchematic B: CMC on both PHY/Cable side Figure 4: EMI Spectrum based on Schematic B。

高频变压器分布电容研究综述变压器寄生参数、分布参数在高频下对变压器的影响成为制约高频、高磁导率、小体积变压器研究的重要因素，也是该领域研究的重点。

本文对近几年高频变压器分布电容的研究情况进行了总结，首先重点介绍了现有的高频变压器模型，并分析了高频变压器分布电容对电路的影响，最后总结了抑制分布电容的方法。

同时文章指出该领域今后的研究方向：磁导率与寄生参数以及EMI直接之间的关系。

标签：开关电源；高频变压器；分布电容；模型；抑制措施0 引言随着磁性材料以及开关电源技术的不断发展，变压器逐渐呈现出磁导率高、频率高以及体积小的特点[1～2]。

在变压器高频化、小型化的过程中，一些在低频情况下被忽略的问题越来越重要，如漏感、分布电容。

这些寄生参数在高频下的影响越来越显著，甚至可能严重影响开关电源的性能[3～4]。

应用普通的变压器模型无法描述和解释高频下的一些电路现象，研究变压器高频下的等值模型以及寄生参数对电路的影响机理，以寻求抑制寄生参数的影响，成为该领域广泛关注的重点。

近几年，很多学者对高频变压器的寄生参数、分布参数进行了大量的研究。

本文主要从含分布电容的高频变压器模型、分布电容对电路的影响及其抑制措施三个方面的研究情况进行了总结。

1 考虑分布电容的高频变压器模型目前，国内外研究人员在高频变压器建模方面做了大量的研究，提出各种不同的高频变压器的模型。

这些建模方法主要分为三种，第一种是采用数值分析法，该方法适合于变压器设计但.是需要大量的关于变压器几何尺寸、电磁特性信息；第二种方法，根据变压器的静电学的行为对分布电容建模，该方法是根据静电学的特性，将工作在线性状态下的变压器看做一个端口网络，然后根据端口网络特性来求解相关模型参数，因此该方法具有建模简单，容易理解的特点；第三种方法，通过应用集总等效电容来对变压器的分布电容的物理效应进行建模。

应用该方法建立的模型，其模型中参数的物理意义明确，比较适合从工程角度对变压器进行分析。

漏磁emi
漏磁EMI（电磁干扰）主要是由于变压器等电气设备的漏感磁通对周围电路产生电磁感应干扰以及对外产生电磁辐射干扰。

为了减小这种干扰，可以采用多种策略。

一种常见的解决方法是使用铜箔对变压器进行屏蔽。

铜箔是良导体，当交变漏磁通穿过铜箔时，会产生涡流。

这个涡流产生的磁场方向与漏磁通的方向相反，从而部分抵消漏磁通。

因此，铜箔可以有效地减少变压器漏感磁通对周围电路产生的电磁感应干扰和对外产生的电磁辐射干扰。

另一种减小漏磁EMI的方法是采用双线传输和阻抗匹配。

当两根相邻的导线电流大小相等、方向相反时，它们产生的磁力线可以互相抵消。

此外，对于干扰比较严重或比较容易被干扰的电路，应尽量采用双线传输信号，并减小导线的长度，避免产生驻波和辐射干扰。

综上所述，减小漏磁EMI的方法主要包括使用铜箔进行屏蔽和采用双线传输及阻抗匹配。

这些策略可以有效地降低电气设备对周围电路的电磁干扰，提高系统的稳定性和可靠性。

开关电源中变压器初、次级线圈之间的屏蔽层对EMI的作用有多大【现象描述】某开关电源外形如图2.53所示。

图2.53 某开关电源外形图图2.53中变压器采用屏蔽设计，屏蔽层位于初级线圈与次级线圈之间，并且屏蔽层通过导线接至初级线圈的0 V，如图2.54所示。

图2.54 变压器内部结构示意图此电源的辐射发射与传导骚扰测试结果如图2.55、图2.56所示。

图2.55 使用屏蔽隔离变压器时的辐射发射测试结果图2.56 使用屏蔽隔离变压器时的传导骚扰测试结果从以上测试数据可以看出，该开关电源能满足EN55022标准中规定的CLASS B的要求。

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箔后，再进行辐射发射与传导骚扰测试，结果分别如图2.57、图2.58所示。

图2.57 使用非屏蔽变压器时的辐射发射测试结果图2.58 使用非屏蔽变压器时的传导骚扰测试结果从测试结果可以明显看出，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。

其骚扰传递示意图如图2.59所示。

这种脉冲骚扰产生的主要原因有以下两个方面。

（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。

图2.59 开关电源骚扰传递示意图（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。

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共模抑制比详细解释为了说明差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比，英文全称是Common Mode Rejection Ratio，因此一般用简写CMRR来表示，符号为Kcmr，单位是分贝db。

差模信号电压放大倍数Aud越大，共模信号电压放大倍数Auc越小，则CMRR越大。

此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越优良。

当差动放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数Auc=0，则共模抑制比CMRR→∞，这是理想情况，实际上电路完全对称是不存在的，共模抑制比也不可能趋于无穷大。

差分放大器影响共模抑制比的因素◇电路对称性——电路的对称性决定了被放大后的信号残存共模干扰的幅度，电路对称性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信号（干扰）的能力也就越差。

◇电路本身的线性工作范围——实际的电路其线性范围不是无限大的，当差模信号超出了电路线性范围时，即使正常信号也不能被正常放大，更谈不上共模抑制能力。

实际电路的线性工作范围都小于其工作电压，这也就是为什么对共模抑制要求较高的设备前端电路也采用较高工作电压的原因。

为了说明差动放大电路抑制共模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud 与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比，用KCMR 表示。

差模信号电压放大倍数Aud越大，共模信号电压放大倍数Auc越小，则KCMR越大。

此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。

当差动放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数Auc=0，则共模抑制比KCMR→∞，这是理想情况，实际上电路完全对称是不存在的，共模抑制比也不可能趋于无穷大。

电路对称性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信号（干扰）的能力也就越差。

变压器与EMI的关系及如何解决电路板的EMI问题变压器与EMI 的关系系统设计工程师解决棘手的EMI 问题时，很多时候都未能认真地研究变压器的设计。

变压器与EMI 之间有如下的关系。

由于变压器的线圈带有高频电流，因此变压器实际上已成为接收H 场的天线。

这些H 场会冲击附近的走线，并通过这些走线将H 场传导或辐射到密封的范围以外。

由于部分线圈有摆动电压，因此实际上它们也成为接收电磁场的天线。

初级及次级线圈之间的寄生电容可以将噪声传送到绝缘层之外。

由于次级线圈的接地通常都与底板连在一起，因此这些噪声又会通过这个接地面传送回来，成为共模噪声。

因此为了减少泄漏电感，最好将初级及次级线圈紧靠在一起，但这样也会增加线圈的互感，从而增加共模噪声。

下面介绍一些有助于防止上述干扰情况出现的技术。

符合安全规格的变压器都在初级及次级线圈之间贴上三层符合安全规格的聚酯(Mylar) 胶带。

除了这三层聚酯胶带之外，可能还会另外加插一片法拉第屏蔽铜片，以便将汇集在绝缘边界的噪声电流收集在一起，并将这些噪声电流分流到别的地方( 通常会传送到初级线圈的接地) 。

值得留意的一点是，应该采用极薄的铜片作为屏蔽，以免因出现涡流而产生损耗，并确保可减少泄漏电感。

这片铜片一般厚2~4 密耳(mil) ，只环绕中央盘一周。

另外还有一条导线焊接在铜片中心的附近，而另一端则连接初级线圈的接地端。

这里要注意，铜片屏蔽的两端不应该有电导性能上的连接，因为对于变压器来说，这样会令这一绕圈短路。

也可以在次级线圈上( 即加了三层绝缘之后) 再加设一个法拉第屏蔽，而这个屏蔽则与次级线圈接地连在一起。

通常变压器的外围会有一层铜片屏蔽( 即“ 磁通带”) 包围着。

这个屏蔽主要用以遮挡辐射。

低成本的设计通常会任由这个屏蔽浮动，但如有需要，这个屏蔽也可与次级线圈接地连在一起。

如果按照这个方式连在一起，便需要考虑一些安全方面的问题，例如加强初级及次级线圈之间绝缘效果的规定问题，以及如何规定初级至次级线圈之间的“ 蠕动”( 沿着绝缘面的一段距离) 及“ 间隙”( 空间的最短距离) 问题。

开关电源电磁干扰(EMI整改汇总开关电源类产品的频率大概分四段：150K-400K-4M-20M-30M，这样分的好处是找问题迅速，一般前一段的主要问题在于滤波元器件上。

小功率开关电源用一个合适的X电容和一个共模电感可消除，从增加的元件对测试结果来看，一般电感对AV值有效，电容对QP值有效。

当然，这只是一般规律。

电容越大，滤除的频率越低。

电感越大（适可而止），滤除的频率越高。

400K-4M这一段主要是开关管，变压器等的干扰。

可以在管与散热片之间加屏蔽层（云母片），或者在引脚上套磁珠。

吸收电路上套磁珠有时也很有效。

变压器初次级之间的Y电容也是不容忽视的。

次级对初级高压端合适还是低压端有时候对这段频率影响很大。

除此之外，调整滤波器也可以抑制其骚扰。

4M-20M这段主要是变压器等高频干扰，在没有找到根源前，大概通过调整滤波，接地，加磁珠等手段解除，有时也可能是输出端的问题。

20M以后主要针对齐纳二级管，输出端电源输入端整改。

一般是用到磁珠，接地等。

值得注意的是，滤波器件因该远离变压器，散热器，否则容易耦合。

镇流器整改原理和开关电源类似，但是前部分超标并非调整滤波器件就都可以解除，最有效的办法是Y电容金属外壳，外壳再连接地线。

磁珠对高频抑制效果不错。

根据IEC 60384-14，电容器分为X电容及Y电容，1. X电容是指跨于L-N之间的电容器，2. Y电容是指跨于L-G/N-G之间的电容器。

(L="Line", N="Neutral", G="Ground"X电容底下又分为X1, X2, X3，主要差別在于:1. X1耐高压大于2.5 kV, 小于等于4 kV,2. X2耐高压小于等于2.5 kV,3. X3耐高压小于等于1.2 kVY电容底下又分为Y1, Y2, Y3，Y4, 主要差別在于:1. Y1耐高压大于8 kV,2. Y2耐高压大于5 kV,3. Y3耐高压 n/a4. Y4耐高压大于2.5 kVX,Y电容都是安规电容,火线零线间的是X电容,火线与地间的是Y电容.它们用在电源滤波器里,起到电源滤波作用,分别对共模,差模工扰起滤波作用.作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；开关频率不高（从几十千赫和数兆赫兹），主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰；而印刷线路板 (PCB走线通常采用手工布线，具有更大的随意性，这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度。