原標(biāo)題：這樣設(shè)計高壓隔離式電源，輕松實現(xiàn)緊湊、低 EMI 目標(biāo)

• 原理與緊湊性優(yōu)勢

• 反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，僅需一個變壓器、一個開關(guān)管、一個二極管和一個輸出電容就能實現(xiàn)基本的DC - DC變換。變壓器既起到電氣隔離的作用，又負(fù)責(zé)能量的存儲和傳遞。例如，在一個5V輸入、48V輸出的反激式電源設(shè)計中，其電路布局可以非常緊湊，PCB面積可以控制在較小的范圍內(nèi)，適合對空間要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景，如小型電子設(shè)備內(nèi)部。

• 其變壓器可以采用多層繞線方式，在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)較高的匝數(shù)比，滿足不同輸入輸出電壓的需求。而且，由于元件數(shù)量少，散熱設(shè)計也相對簡單，進(jìn)一步減小了整體體積。

• 低EMI實現(xiàn)

• 反激式拓?fù)湓陂_關(guān)管關(guān)斷時，變壓器中的能量會通過二極管釋放到輸出端，這個過程會產(chǎn)生一定的電壓尖峰和電磁干擾。但通過合理設(shè)計變壓器的漏感，可以控制電壓尖峰的大小。例如，采用分段繞制變壓器的方法，將初級和次級繞組分開繞制，增加漏感，同時配合RC吸收電路，吸收電壓尖峰，降低EMI。

• 此外，優(yōu)化開關(guān)管的驅(qū)動電路，采用軟開關(guān)技術(shù)，如準(zhǔn)諧振反激變換器，可以使開關(guān)管在零電壓或零電流條件下開通和關(guān)斷，減少開關(guān)過程中的di/dt和dv/dt，從而有效降低EMI。

正激式拓?fù)?/span>

• 原理與緊湊性考量

• 正激式拓?fù)湫枰~外的復(fù)位電路來釋放變壓器中的能量，但它在中大功率應(yīng)用中具有較高的效率。通過采用集成磁件技術(shù)，將變壓器和電感集成在一起，可以大大減小電源的體積。例如，在一些工業(yè)控制設(shè)備中，采用集成磁件的正激式電源，其體積比傳統(tǒng)分立元件的電源減小了30% - 40%。

• 同時，正激式拓?fù)淇梢圆捎闷矫孀儔浩?，平面變壓器具有體積小、散熱好、漏感小等優(yōu)點。其繞組采用印刷電路板（PCB）上的銅箔制成，厚度可以控制得很薄，從而減小了變壓器的體積和重量。

• 低EMI措施

• 在正激式拓?fù)渲?，開關(guān)管的開關(guān)動作會產(chǎn)生高頻噪聲。為了降低EMI，可以采用屏蔽變壓器的方法，在變壓器外部包裹一層金屬屏蔽層，將電磁干擾屏蔽在變壓器內(nèi)部。

• 另外，優(yōu)化輸出濾波電路，采用多級濾波結(jié)構(gòu)，如LC濾波器加上共模電感，可以有效濾除輸出端的差模和共模干擾，使電源的EMI水平滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

變壓器設(shè)計

磁芯材料選擇

• 特性與緊湊性關(guān)系

• 選用高磁導(dǎo)率、低損耗的磁芯材料，如鐵氧體磁芯中的錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體。高磁導(dǎo)率磁芯可以在較小的體積內(nèi)實現(xiàn)較高的電感量，從而減小變壓器的尺寸。例如，在相同的電感量要求下，使用高磁導(dǎo)率磁芯的變壓器體積可以比使用低磁導(dǎo)率磁芯的變壓器減小20% - 30%。

• 低損耗磁芯可以減少變壓器在工作過程中的發(fā)熱，降低散熱需求，進(jìn)一步減小電源的整體體積。同時，低損耗也有助于提高電源的效率。

• 低EMI影響

• 磁芯材料的頻率特性對EMI也有影響。選擇具有良好高頻特性的磁芯材料，可以減少變壓器在高頻工作時的磁滯損耗和渦流損耗，降低高頻噪聲的產(chǎn)生。例如，一些新型的納米晶磁芯具有優(yōu)異的高頻性能，在高頻工作下?lián)p耗低，能夠有效降低EMI。

繞組設(shè)計

• 緊湊性設(shè)計

• 采用多層繞制和交錯繞制的方法，可以在有限的磁芯窗口面積內(nèi)繞制更多的匝數(shù)，滿足電壓變換的要求。例如，在繞制變壓器的初級和次級繞組時，采用交錯繞制的方式，可以減小繞組之間的耦合電容，同時提高變壓器的填充系數(shù)，使變壓器更加緊湊。

• 對于高功率密度的電源設(shè)計，可以采用扁平線繞組。扁平線具有較大的截面積，可以降低繞組的電阻，減少銅損，同時扁平線的形狀便于在磁芯窗口內(nèi)緊密排列，減小變壓器的體積。

• 低EMI措施

• 合理設(shè)計繞組的層間絕緣和匝間絕緣，減少繞組之間的寄生電容。寄生電容會導(dǎo)致高頻電流的耦合，增加EMI。通過增加絕緣材料的厚度或采用高性能的絕緣材料，可以有效降低寄生電容。

• 在繞組布局上，將初級繞組和次級繞組分開布置，并采用屏蔽層進(jìn)行隔離，可以減少電磁耦合，降低EMI。例如，在初級和次級繞組之間增加一層銅箔屏蔽層，并將屏蔽層接地，可以有效屏蔽電磁干擾。

電路布局與布線

布局優(yōu)化

• 緊湊性布局

• 采用模塊化設(shè)計思路，將電源的不同功能模塊，如輸入濾波模塊、功率變換模塊、輸出濾波模塊等，進(jìn)行合理分區(qū)布局。例如，將輸入濾波電容靠近輸入端，減少輸入線路的電感；將功率開關(guān)管和變壓器靠近放置，減小功率回路的面積，降低線路損耗。

• 利用PCB的多層板結(jié)構(gòu)，將不同功能的信號線分布在不同的層上，實現(xiàn)信號的分層布線。例如，將高壓信號線和低壓信號線分開布置在不同的層，減少信號之間的干擾，同時可以在有限的PCB面積內(nèi)實現(xiàn)更復(fù)雜的電路布局。

• 低EMI布局原則

• 遵循“地線優(yōu)先”的原則，將地線設(shè)計得寬而短，降低地線阻抗。地線阻抗會導(dǎo)致地線上的電壓降，從而產(chǎn)生共模干擾。通過增加地線的寬度和厚度，可以減小地線阻抗，降低共模干擾。

• 對于敏感信號線，如反饋信號線，應(yīng)遠(yuǎn)離功率回路和開關(guān)管等干擾源，并采用屏蔽線或差分走線的方式進(jìn)行布線，減少外界干擾對信號的影響。

布線技巧

• 緊湊性布線

• 采用短而粗的導(dǎo)線連接功率元件，減少線路電阻和電感。例如，在連接開關(guān)管和變壓器時，使用較粗的銅箔或?qū)Ь€，降低線路損耗和電磁干擾。

• 對于高頻信號線，如開關(guān)管的驅(qū)動信號線，應(yīng)采用微帶線或帶狀線的方式進(jìn)行布線，控制信號線的特性阻抗，減少信號反射和干擾。

• 低EMI布線方法

• 避免布線形成環(huán)路，因為環(huán)路會感應(yīng)電磁場，產(chǎn)生干擾。在布線時，應(yīng)盡量使信號線呈直線或折線布置，避免形成閉合環(huán)路。

• 對于電源線，應(yīng)采用星形布線或輻射狀布線的方式，將電源線從一點引出，分別連接到各個負(fù)載，減少電源線之間的相互干擾。

濾波與屏蔽設(shè)計

輸入輸出濾波

• 緊湊性濾波設(shè)計

• 采用集成化的濾波元件，如集成共模電感和差模電感的濾波模塊，可以減小濾波電路的體積。例如，一些新型的集成濾波模塊將共模電感、差模電感和濾波電容集成在一起，體積小巧，適合在緊湊的電源設(shè)計中使用。

• 優(yōu)化濾波電容的選擇，采用多層陶瓷電容（MLCC）和電解電容相結(jié)合的方式。MLCC具有高頻特性好、體積小的優(yōu)點，可以濾除高頻干擾；電解電容具有容量大、耐壓高的優(yōu)點，可以濾除低頻干擾。通過合理搭配這兩種電容，可以在滿足濾波效果的同時，減小濾波電路的體積。

• 低EMI濾波效果

• 輸入濾波電路可以有效抑制電網(wǎng)中的干擾信號進(jìn)入電源，同時防止電源產(chǎn)生的干擾信號反饋到電網(wǎng)中。輸出濾波電路可以濾除電源輸出端的紋波和噪聲，提高輸出電壓的質(zhì)量。例如，通過合理設(shè)計濾波電路的參數(shù)，可以將電源的EMI水平降低到規(guī)定的限值以下。

屏蔽設(shè)計

• 緊湊性屏蔽實現(xiàn)

• 對于緊湊型電源，可以采用金屬外殼進(jìn)行屏蔽。金屬外殼可以采用鋁合金等材料，具有重量輕、散熱好的優(yōu)點。在設(shè)計金屬外殼時，應(yīng)注意外殼的接地處理，確保外殼能夠有效地屏蔽電磁干擾。

• 對于內(nèi)部的敏感元件，如控制電路和反饋電路，可以采用局部屏蔽的方法。例如，使用金屬屏蔽罩將敏感元件罩住，并接地，減少外界干擾對元件的影響。

• 低EMI屏蔽原理

• 屏蔽的原理是利用金屬導(dǎo)體對電磁波的反射和吸收作用，將電磁干擾限制在一定的區(qū)域內(nèi)。通過合理設(shè)計屏蔽結(jié)構(gòu)，如屏蔽層的厚度、材料和接地方式等，可以提高屏蔽效果，降低電源的EMI水平。例如，增加屏蔽層的厚度可以提高對低頻電磁干擾的屏蔽效果；采用高導(dǎo)電率的金屬材料可以提高屏蔽層的反射能力。