刍议高频变压器中屏蔽层的应用

本文首先介绍了开关电源中EMI产生的主要原因，并着重分析了高频变压器产生EMI产生的原理，然后详细的说明了在变压器的结构中使用屏蔽层的方法。最后介绍了高频变压器制造过程中屏蔽层的工艺注意事项。

【关键词】变压器 绕组 屏蔽层 铜箔

1 前言

开关电源的电磁噪声从噪声源来说可以分为两大类。一类是外部噪声，例如，通过电路传输过来的共模和差模噪声、外部电磁辐射对开关电源控制电路的干扰等。另一类是开关电源自身产生的电磁噪声，如开关管和整流管的电流尖峰产生的谐波及电磁辐射干扰。开关电源产生电磁干扰最根本的原因，就是其在工作过程中产生的高di/dt和高dv/dt，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。

2 高频变压器

就开关电源自身而言，开关器件是噪声源之一，其内部引线的杂散电感及寄生电容也是噪声耦合的通道，但是由于这些参数是器件固有的特性，电子设计和应用工程师无法对它们进行优化。高频变压器是另外一个噪声源，而初级次级的漏感及初级的层间电容、次级的层间电容、初级和次级之间的耦合电容则是噪声的通道。初级或次级的层间电容可以通过减小绕组的层数来降低，增大变压器骨架窗口的宽度可以减小绕组的层数。分离的绕组如初级采用三明治绕法可以减小初级的漏感，但由于增大了初级和次级的接触面积，因而增大了初级和次级的耦合电容。采用屏蔽可以减小初级与次级间的耦合电容。屏蔽层绕在初级与次级之间，并且要接到初级或次级的静点如初级地和次级地。屏蔽层使初级和次级的耦合系数降低，从而增加了漏感。

高频变压器所包含的寄生电容的模型见图1中所示。

（1） Cm：最内层初级绕组与磁芯之间形成的电容。

（2）Cp：初级绕组的各层之间的电容。

（3） Cs：初级绕组与次级绕组之间形成的电容。

（4） Ct：辅助绕组与次级绕组之间形成的电容。

（5）Ca：最外层绕组到磁芯之间形成的电容。

（6） Cme：磁芯与大地之间形成的电容。

（7）Coe：引出线端子与大地之间形成的电容。

因此，在高频变压器的设计、制造过程中，为满足电路设计要求，符合电磁兼容技术标准，常常会应用到屏蔽技术（即产品结构中增加屏蔽层）。从变压器的结构来看，分为内部屏蔽和外部屏蔽；从屏蔽方式来看，分为电屏蔽和磁屏蔽。实际上，内部屏蔽就是电屏蔽，外部屏蔽就是磁屏蔽。

电屏蔽主要的作用是将初级来的干涉信号与次级隔离开来，目的是将原边的共模干扰信号通过屏蔽层回流到骚扰源（初级），如果没有这个屏蔽层，有一部共模干扰信号就会通过初、次级绕组之间的层间电容传递到次级，从而引起输出端的EMI问题。可采用三种方式进行屏蔽：1.在初级、次级之间包一层铜箔，但铜箔头尾不能短路，铜箔须焊引出线，引出线要接地，这样在初级绕组与铜箔之间形成电容，干涉信号通过电容--铜箔—接地形成回路，不能进入次级绕组起到电屏蔽的作用；2.在初、次级之间绕一层细的导线，并且起绕端引出线接地，收尾端浮空在变压器内部；3.在初级两端子各接一交流电容（不是电解电容）电容的另一端接地，后两种方法所起的作用与第一种方法类似，最后这种方法要在线路上增加元件，整机技术不一定能够接受。

磁屏蔽就是在变压器的外部紧贴磁芯和绕组包覆一层铜箔，这一层铜箔要闭合，形成一个环形回路。变压器的漏感磁场不在磁芯内部闭合，而是泄漏到外部空间，在高频应用时，较强的漏磁场会在输入和输出端口的闭合回路上感应出电压，导致EMI测试结果变差。如果有外部屏蔽层，根据电磁感应原理，屏蔽层内会感应出电流，形成相反的磁场，抵消变压器漏磁场的影响。

高频变压器在增加屏蔽层之后，生产制造工艺工程中应该注意以下事项：

（1）高频变压器内部屏蔽层不是用来屏蔽漏磁的，是屏蔽初、次级高频的电场信号的，属于静电屏蔽，所以这个屏蔽层需要接到一个安静的电位上，既可以接原边的地线，也可以接原边的高压端，EMI几乎没有多大的差别。铜箔屏蔽切断了初次级间杂散电容的路径，让其对地形成电容。绕组屏蔽切断初次级间电容路径和维持电场的平衡，所以绕组的匝数，绕向和位置对EMI的效果都有很大的影响。由于屏蔽层引出线与初级绕组相接，必须注意安规问题，保证与次级绕组间的安全距离。

（2）用铜箔作为内屏蔽层有0.9T或1.1T两种方式， 0.9T是为了彻底杜绝了首尾端搭接造成短路，而1.1T是为屏蔽效果方面而考虑，铜箔厚度0.05mm，宽度大致等于或小于初级绕组绕线幅宽。这个屏蔽层首尾两端是不能短路的，否则相当于一个短路绕组，把变压器的初级等效短路了，因此在生产过程中，铜箔两端需用绝缘胶带包裹。

（3）用绕组作为内屏蔽时，采用直径0.1～0.3的漆包线密绕一层，起绕端引出线接初级绕组，收头端空着，并用胶带固定收头位置。该绕组绕线幅宽与初级绕组相同，并用绝缘胶带与相邻绕组绝缘。

（4）变压器的外部屏蔽（最常用铜箔，也可以是并绕的镀锡铜线）必须首尾连焊（闭合），可以不接地，也可以接初级地线，其对EMI的影响看绕组内部的情况，也一定要注意安规问题。如果不接地线，屏蔽材料可以直接与磁芯接触，但必须保证幅宽与初次级绕组间的安全距离；如果要接初级地线，就必须先在产品磁芯和外层绕组上包裹两层绝缘胶带，然后绕制屏蔽层，连焊屏蔽层首尾端，再包裹两层绝缘胶带，同意也要注意屏蔽层幅宽与次级绕组之间的安全距离。

3 结语

高频变压器电源输入、输出侧与大地之间存在着电位差的高频变化，是造成共模EMI的根本原因。增加屏蔽层看似很简单的原理，却能实实在在起到很好的效果。在屏蔽层的应用过程中，要特别注意与安规相关的细节问题。

参考文献

[1]钱振宇.开关电源的电磁兼容性设计与测试[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2]王亮.开关电源变压器屏蔽层抑制共模EMI的研究[J].电器与能效管理技术，2010.

[3]刘松.EMI及无Y电容手机充电器的设计[J].电子设计应用，2007.

作者简介

陈建（1976-），男，大学本科学历。现为西南应用磁学研究所工程师。

作者单位

西南应用磁学研究所 四川省绵阳市 621000