原標題：這樣設計高壓隔離式電源，輕松實現緊湊、低 EMI 目標

• 原理與緊湊性優勢

• 反激式拓撲結構簡單，僅需一個變壓器、一個開關管、一個二極管和一個輸出電容就能實現基本的DC - DC變換。變壓器既起到電氣隔離的作用，又負責能量的存儲和傳遞。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，適合對空間要求嚴格的應用場景，如小型電子設備內部。

• 其變壓器可以采用多層繞線方式，在有限的空間內實現較高的匝數比，滿足不同輸入輸出電壓的需求。而且，由于元件數量少，散熱設計也相對簡單，進一步減小了整體體積。

• 低EMI實現

• 反激式拓撲在開關管關斷時，變壓器中的能量會通過二極管釋放到輸出端，這個過程會產生一定的電壓尖峰和電磁干擾。但通過合理設計變壓器的漏感，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，優化開關管的驅動電路，采用軟開關技術，如準諧振反激變換器，可以使開關管在零電壓或零電流條件下開通和關斷，減少開關過程中的di/dt和dv/dt，從而有效降低EMI。

正激式拓撲

• 原理與緊湊性考量

• 正激式拓撲需要額外的復位電路來釋放變壓器中的能量，但它在中大功率應用中具有較高的效率。通過采用集成磁件技術，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，在一些工業控制設備中，采用集成磁件的正激式電源，其體積比傳統分立元件的電源減小了30% - 40%。

• 同時，正激式拓撲可以采用平面變壓器，平面變壓器具有體積小、散熱好、漏感小等優點。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

• 在正激式拓撲中，開關管的開關動作會產生高頻噪聲。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部。

• 另外，優化輸出濾波電路，采用多級濾波結構，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水平滿足相關標準要求。

變壓器設計

磁芯材料選擇

• 特性與緊湊性關系

• 選用高磁導率、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。高磁導率磁芯可以在較小的體積內實現較高的電感量，從而減小變壓器的尺寸。例如，在相同的電感量要求下，使用高磁導率磁芯的變壓器體積可以比使用低磁導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熱，降低散熱需求，進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，降低高頻噪聲的產生。例如，一些新型的納米晶磁芯具有優異的高頻性能，在高頻工作下損耗低，能夠有效降低EMI。

繞組設計

• 緊湊性設計

• 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繞制更多的匝數，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，使變壓器更加緊湊。

• 對于高功率密度的電源設計，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緊密排列，減小變壓器的體積。

• 低EMI措施

• 合理設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

布局優化

• 緊湊性布局

• 采用模塊化設計思路，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，進行合理分區布局。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的多層板結構，將不同功能的信號線分布在不同的層上，實現信號的分層布線。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面積內實現更復雜的電路布局。

• 低EMI布局原則

• 遵循“地線優先”的原則，將地線設計得寬而短，降低地線阻抗。地線阻抗會導致地線上的電壓降，從而產生共模干擾。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，應遠離功率回路和開關管等干擾源，并采用屏蔽線或差分走線的方式進行布線，減少外界干擾對信號的影響。

布線技巧

• 緊湊性布線

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

• 對于高頻信號線，如開關管的驅動信號線，應采用微帶線或帶狀線的方式進行布線，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

• 避免布線形成環路，因為環路會感應電磁場，產生干擾。在布線時，應盡量使信號線呈直線或折線布置，避免形成閉合環路。

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

濾波與屏蔽設計

輸入輸出濾波

• 緊湊性濾波設計

• 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計中使用。

• 優化濾波電容的選擇，采用多層陶瓷電容（MLCC）和電解電容相結合的方式。MLCC具有高頻特性好、體積小的優點，可以濾除高頻干擾；電解電容具有容量大、耐壓高的優點，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中的干擾信號進入電源，同時防止電源產生的干擾信號反饋到電網中。輸出濾波電路可以濾除電源輸出端的紋波和噪聲，提高輸出電壓的質量。例如，通過合理設計濾波電路的參數，可以將電源的EMI水平降低到規定的限值以下。

屏蔽設計

• 緊湊性屏蔽實現

• 對于緊湊型電源，可以采用金屬外殼進行屏蔽。金屬外殼可以采用鋁合金等材料，具有重量輕、散熱好的優點。在設計金屬外殼時，應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域內。通過合理設計屏蔽結構，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；采用高導電率的金屬材料可以提高屏蔽層的反射能力。