一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 变压器中的屏蔽层物理参数主要包括屏蔽层长度Lsh、宽度Wsh和厚度Tsh，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。
[0005] 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 = Wp)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】
[0006] 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。
[0007] -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：
[0008] (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； [0009] (2)利用有限元分析软件仿真出在不同屏蔽层宽度Wsh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；
[0010] (3)根据仿真得到的上述结构电容，计算不同屏蔽层宽度Wsh下变压器中的共模评 估等效电容Ck(t〇t aO，进而绘制得到关于Wsh-Ck(t〇taO的特征曲线；
[0011] (4)判断所述的特征曲线在坐标系中是否与轴线Ck(tcltal) = 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CkUc ltaD = O交叉。
[0012] 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。
[0013] 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CkUcltal):
[0014]
[0015] 其中：(?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，η为变压器中 相邻原副边绕组的对数。
[0016] 变压器中任一对相邻原副边绕组之间等效电容评估值Ck的表达式如下：
[0017]
[0018] 其中：ΝΡο和Nso分别为原边绕组和副边绕组的低压端电压，化和队分别为原边绕组 和副边绕组的匝数，Wp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，CpsO为原副边绕组之间的结构电容，C sshQ为副边绕组与屏蔽层之间的结构电容。
[0019] 优选地，所述的屏蔽层采用铜箱层。
[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
[0021] (1)本发明变压器装置简单可行，成本低。屏蔽层材料为铜箱层，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箱层，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。
[0022] (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。
[0023] (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】
[0024] 图1为反激式开关电源的共模电流传播路径示意图。
[0025] 图2(a)为屏蔽层平面展开后的物理参数示意图。
[0026] 图2(b)为屏蔽层在变压器中的剖视图。
[0027] 图2(c)为屏蔽层在变压器中的俯视图。
[0028] 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。
[0029] 图4为原副边绕组之间的结构电容分布示意图。
[0030] 图5为副边绕组与屏蔽层之间的结构电容分布示意图。
[0031]图6为变压器的原理图。
[0032]图7为变压器的结构剖视图。
[0033]图8(a)是屏蔽层宽度为2_时反激开关电源负载侧的共模噪声频谱图。
[0034]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。
[0035]图8(c)是屏蔽层宽度为3.5_时反激开关电源负载侧的共模噪声频谱图。
[0036]图8(d)是屏蔽层宽度为4_时反激开关电源负载侧的共模噪声频谱图。
[0037] 图8(e)是屏蔽层宽度为5_时反激开关电源负载侧的共模噪声频谱图。
【具体实施方式】
[0038] 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。
[0039] 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：
[0040] (1)测量估算变压器的绕组直径、铜箱层厚度、绕组间距等结构尺寸。
[0041] 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）。
[0042] (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箱层之间的结构电容。
[0043] 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=O。
[0044] 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Cps0 =fi(Wp，Ws，Wsh，Lsh，T sh，H)，Cssho = fi(Wp，Ws，Wsh，Lsh，Tsh，H)。因此选定好W p、Ws、Lsh、Tsh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。
[0045] 当有多层绕组时，应在相