原标题：这样设计高压隔离式电源，轻松实现紧凑、低 EMI 目标

• 原理与紧凑性优势

• 反激式拓扑结构简单，仅需一个变压器、一个开关管、一个二极管和一个输出电容就能实现基本的DC - DC变换。变压器既起到电气隔离的作用，又负责能量的存储和传递。例如，在一个5V输入、48V输出的反激式电源设计中，其电路布局可以非常紧凑，PCB面积可以控制在较小的范围内，适合对空间要求严格的应用场景，如小型电子设备内部。

• 其变压器可以采用多层绕线方式，在有限的空间内实现较高的匝数比，满足不同输入输出电压的需求。而且，由于元件数量少，散热设计也相对简单，进一步减小了整体体积。

• 低EMI实现

• 反激式拓扑在开关管关断时，变压器中的能量会通过二极管释放到输出端，这个过程会产生一定的电压尖峰和电磁干扰。但通过合理设计变压器的漏感，可以控制电压尖峰的大小。例如，采用分段绕制变压器的方法，将初级和次级绕组分开绕制，增加漏感，同时配合RC吸收电路，吸收电压尖峰，降低EMI。

• 此外，优化开关管的驱动电路，采用软开关技术，如准谐振反激变换器，可以使开关管在零电压或零电流条件下开通和关断，减少开关过程中的di/dt和dv/dt，从而有效降低EMI。

正激式拓扑

• 原理与紧凑性考量

• 正激式拓扑需要额外的复位电路来释放变压器中的能量，但它在中大功率应用中具有较高的效率。通过采用集成磁件技术，将变压器和电感集成在一起，可以大大减小电源的体积。例如，在一些工业控制设备中，采用集成磁件的正激式电源，其体积比传统分立元件的电源减小了30% - 40%。

• 同时，正激式拓扑可以采用平面变压器，平面变压器具有体积小、散热好、漏感小等优点。其绕组采用印刷电路板（PCB）上的铜箔制成，厚度可以控制得很薄，从而减小了变压器的体积和重量。

• 低EMI措施

• 在正激式拓扑中，开关管的开关动作会产生高频噪声。为了降低EMI，可以采用屏蔽变压器的方法，在变压器外部包裹一层金属屏蔽层，将电磁干扰屏蔽在变压器内部。

• 另外，优化输出滤波电路，采用多级滤波结构，如LC滤波器加上共模电感，可以有效滤除输出端的差模和共模干扰，使电源的EMI水平满足相关标准要求。

变压器设计

磁芯材料选择

• 特性与紧凑性关系

• 选用高磁导率、低损耗的磁芯材料，如铁氧体磁芯中的锰锌铁氧体和镍锌铁氧体。高磁导率磁芯可以在较小的体积内实现较高的电感量，从而减小变压器的尺寸。例如，在相同的电感量要求下，使用高磁导率磁芯的变压器体积可以比使用低磁导率磁芯的变压器减小20% - 30%。

• 低损耗磁芯可以减少变压器在工作过程中的发热，降低散热需求，进一步减小电源的整体体积。同时，低损耗也有助于提高电源的效率。

• 低EMI影响

• 磁芯材料的频率特性对EMI也有影响。选择具有良好高频特性的磁芯材料，可以减少变压器在高频工作时的磁滞损耗和涡流损耗，降低高频噪声的产生。例如，一些新型的纳米晶磁芯具有优异的高频性能，在高频工作下损耗低，能够有效降低EMI。

绕组设计

• 紧凑性设计

• 采用多层绕制和交错绕制的方法，可以在有限的磁芯窗口面积内绕制更多的匝数，满足电压变换的要求。例如，在绕制变压器的初级和次级绕组时，采用交错绕制的方式，可以减小绕组之间的耦合电容，同时提高变压器的填充系数，使变压器更加紧凑。

• 对于高功率密度的电源设计，可以采用扁平线绕组。扁平线具有较大的截面积，可以降低绕组的电阻，减少铜损，同时扁平线的形状便于在磁芯窗口内紧密排列，减小变压器的体积。

• 低EMI措施

• 合理设计绕组的层间绝缘和匝间绝缘，减少绕组之间的寄生电容。寄生电容会导致高频电流的耦合，增加EMI。通过增加绝缘材料的厚度或采用高性能的绝缘材料，可以有效降低寄生电容。

• 在绕组布局上，将初级绕组和次级绕组分开布置，并采用屏蔽层进行隔离，可以减少电磁耦合，降低EMI。例如，在初级和次级绕组之间增加一层铜箔屏蔽层，并将屏蔽层接地，可以有效屏蔽电磁干扰。

电路布局与布线

布局优化

• 紧凑性布局

• 采用模块化设计思路，将电源的不同功能模块，如输入滤波模块、功率变换模块、输出滤波模块等，进行合理分区布局。例如，将输入滤波电容靠近输入端，减少输入线路的电感；将功率开关管和变压器靠近放置，减小功率回路的面积，降低线路损耗。

• 利用PCB的多层板结构，将不同功能的信号线分布在不同的层上，实现信号的分层布线。例如，将高压信号线和低压信号线分开布置在不同的层，减少信号之间的干扰，同时可以在有限的PCB面积内实现更复杂的电路布局。

• 低EMI布局原则

• 遵循“地线优先”的原则，将地线设计得宽而短，降低地线阻抗。地线阻抗会导致地线上的电压降，从而产生共模干扰。通过增加地线的宽度和厚度，可以减小地线阻抗，降低共模干扰。

• 对于敏感信号线，如反馈信号线，应远离功率回路和开关管等干扰源，并采用屏蔽线或差分走线的方式进行布线，减少外界干扰对信号的影响。

布线技巧

• 紧凑性布线

• 采用短而粗的导线连接功率元件，减少线路电阻和电感。例如，在连接开关管和变压器时，使用较粗的铜箔或导线，降低线路损耗和电磁干扰。

• 对于高频信号线，如开关管的驱动信号线，应采用微带线或带状线的方式进行布线，控制信号线的特性阻抗，减少信号反射和干扰。

• 低EMI布线方法

• 避免布线形成环路，因为环路会感应电磁场，产生干扰。在布线时，应尽量使信号线呈直线或折线布置，避免形成闭合环路。

• 对于电源线，应采用星形布线或辐射状布线的方式，将电源线从一点引出，分别连接到各个负载，减少电源线之间的相互干扰。

滤波与屏蔽设计

输入输出滤波

• 紧凑性滤波设计

• 采用集成化的滤波元件，如集成共模电感和差模电感的滤波模块，可以减小滤波电路的体积。例如，一些新型的集成滤波模块将共模电感、差模电感和滤波电容集成在一起，体积小巧，适合在紧凑的电源设计中使用。

• 优化滤波电容的选择，采用多层陶瓷电容（MLCC）和电解电容相结合的方式。MLCC具有高频特性好、体积小的优点，可以滤除高频干扰；电解电容具有容量大、耐压高的优点，可以滤除低频干扰。通过合理搭配这两种电容，可以在满足滤波效果的同时，减小滤波电路的体积。

• 低EMI滤波效果

• 输入滤波电路可以有效抑制电网中的干扰信号进入电源，同时防止电源产生的干扰信号反馈到电网中。输出滤波电路可以滤除电源输出端的纹波和噪声，提高输出电压的质量。例如，通过合理设计滤波电路的参数，可以将电源的EMI水平降低到规定的限值以下。

屏蔽设计

• 紧凑性屏蔽实现

• 对于紧凑型电源，可以采用金属外壳进行屏蔽。金属外壳可以采用铝合金等材料，具有重量轻、散热好的优点。在设计金属外壳时，应注意外壳的接地处理，确保外壳能够有效地屏蔽电磁干扰。

• 对于内部的敏感元件，如控制电路和反馈电路，可以采用局部屏蔽的方法。例如，使用金属屏蔽罩将敏感元件罩住，并接地，减少外界干扰对元件的影响。

• 低EMI屏蔽原理

• 屏蔽的原理是利用金属导体对电磁波的反射和吸收作用，将电磁干扰限制在一定的区域内。通过合理设计屏蔽结构，如屏蔽层的厚度、材料和接地方式等，可以提高屏蔽效果，降低电源的EMI水平。例如，增加屏蔽层的厚度可以提高对低频电磁干扰的屏蔽效果；采用高导电率的金属材料可以提高屏蔽层的反射能力。