專利名稱：用于減少開關(guān)模式電源中的共模噪聲的電路布置和方法以及開關(guān)模式電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)所附獨(dú)立權(quán)利要求的前序的、用于減少開關(guān)模式電源中的共模噪聲的電路布置和方法。本發(fā)明還涉及合并用于減少共模噪聲的電路布置的開關(guān)模式電源。
背景技術(shù)：
開關(guān)模式電源(SMPS)廣泛使用在各種技術(shù)應(yīng)用中，這主要由于它們的高效和緊湊尺寸。高效是采用開關(guān)技術(shù)的結(jié)果，在開關(guān)技術(shù)中，向變壓器饋送高頻脈沖電流。該技術(shù)的缺點(diǎn)在于SMPS生成傳導(dǎo)的和福射的電磁干擾(EMI)兩者。傳統(tǒng)的開關(guān)模式電源包括通過變壓器彼此分離的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)。變壓器具有纏繞在共同核元件(common core element)上的初級(jí)和次級(jí)繞組。向初級(jí)繞組饋送的脈沖電流在核元件中和周圍產(chǎn)生周期性改變的磁場(chǎng)，能量從其釋放到次級(jí)繞組并最終釋放到負(fù)載。由于變壓器的繞組中改變的電壓，在繞組之間并且也在繞組與例如核元件的電設(shè)備的其他部分之間存在生成的電容性電流。這些電容性電流被檢測(cè)為共模(CM)噪聲并且可以是顯著的電磁干擾源。初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間的該電容性電流可以是低功率開關(guān)模式電源中最顯著的發(fā)射源。已知用于減少開關(guān)模式電源中的共模噪聲的各種技術(shù)。傳統(tǒng)技術(shù)使用共模電感器和所謂的Y電容器的組合。Y電容器連接在初級(jí)和次級(jí)地之間。Y電容器將變壓器生成的發(fā)射電流(emission current)短路,而共模電感器增加電路的阻抗，以便最小化生成的電流。問題在于共模電感器是昂貴的并且是大部件，這也產(chǎn)生了損耗。大價(jià)值的Y電容器具有來自電源干線(mains)的泄漏電流的問題。此外，Y電容器減少了其他發(fā)射通過它的阻抗。文獻(xiàn)US 7109836 B2公開了其中通過平衡初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間生成的相對(duì)靜電場(chǎng)來減少初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間的電容性位移電流(displacement current)的技術(shù)。通過向初級(jí)繞組或次級(jí)繞組提供平衡部分來平衡該相對(duì)靜電場(chǎng)?？梢酝ㄟ^使用生成相反方向電流以減少初級(jí)和次級(jí)繞組生成的發(fā)射的附加繞組來消除一些生成的電流。由于電壓波形在形狀上不同，所以電流不相似并且因此不能適當(dāng)?shù)叵町?。特別地，當(dāng)輸出功率大時(shí)，寄生消除(parasitic cancellation)技術(shù)失去其很多效能。而且,在EMI控制中使用很多類型的傳導(dǎo)箔(conducting foil)構(gòu)造。這些具有與僅具有線圈的變壓器結(jié)構(gòu)類似的缺點(diǎn)。與上述技術(shù)相關(guān)聯(lián)的問題在于它們?cè)跍p少共模噪聲時(shí)低效并且甚至本身可能在開關(guān)模式電源中生成顯著的電容性電流。本發(fā)明的目的
本發(fā)明的主要目的在于減少或甚至消除上述的現(xiàn)有技術(shù)問題。本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供能夠減少開關(guān)模式電源中的共模噪聲的電路布置和方法。更詳細(xì)的，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供能夠減少變壓器的初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間的共模電壓和其變化的方法和電路布置。本發(fā)明的一個(gè)目的還在于提供具有最小共模噪聲的開關(guān)模式電源。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的方法、電路布置和開關(guān)模式電源的特征在于在所附獨(dú)立權(quán)利要求的特征部分呈現(xiàn)的內(nèi)容。本發(fā)明的有利實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中描述。

發(fā)明內(nèi)容
一種根據(jù)本發(fā)明的、用于減少開關(guān)模式電源中的共模噪聲的典型電路布置，該電路布置耦合在變壓器的初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間，包括適于電容地耦合初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的第一電容器。根據(jù)本發(fā)明的典型電路布置還包括輔助繞組和阻抗電路，所述輔助繞組和所述阻抗電路耦合在初級(jí)繞組與第一電容器之間。本發(fā)明提供對(duì)在初級(jí)繞組與次級(jí)繞組的電壓用于取消(negate)彼此的生成的電容性共模電流時(shí)出現(xiàn)的問題的解決方案。因?yàn)槌跫?jí)和次級(jí)電壓具有不同波形，所以不能完全取消電容性電流，并且在很多情況中甚至沒有充分地取消。該問題例如在Y電容器連接在初級(jí)和次級(jí)繞組之間以便減少共模噪聲時(shí)出現(xiàn)，并且從負(fù)載到地的阻抗小。該情況在電源必須向負(fù)載提供更多功率時(shí)甚至變得更壞。從初級(jí)停止傳導(dǎo)時(shí)生成的過沖電壓導(dǎo)出初級(jí)與次級(jí)電壓波形之間的主要差異。可以將該過沖電壓看作初級(jí)電壓中的振鈴波形(ringingwaveform)(參見圖1)。然而，次級(jí)電壓不包括此類振鈴波形(參見圖2)。本發(fā)明的思想是使用具有相似波形的電壓來取消彼此。這是通過在初級(jí)繞組與第一電容器之間將輔助繞組結(jié)合阻抗電路來連接實(shí)現(xiàn)的。取決于輔助繞組關(guān)于共同核元件上的初級(jí)繞組與次級(jí)繞組的位置，輔助電壓波形具有不同的形狀。然而，在一些具體的繞組構(gòu)造中，過沖電壓幾乎對(duì)輔助電壓沒有影響。由于這點(diǎn)，可以通過使用根據(jù)本發(fā)明的電路來有效地減少開關(guān)模式電源中的共模電壓和其變化。本發(fā)明的另一優(yōu)勢(shì)在于共模電感器在開關(guān)模式電源中不是必需的，并且第一電容器(Y電容器)可以具有低電容值。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，阻抗電路包括第一阻抗部件和第二阻抗部件，第二阻抗部件與輔助繞組串聯(lián)耦合，并且第一阻抗部件與串聯(lián)連接的第二阻抗部件和輔助繞組并聯(lián)耦合。連接至輔助繞組的阻抗部件形成針對(duì)初級(jí)與次級(jí)之間的共模電壓的電壓變動(dòng)的分壓(voltage division)。第一阻抗部件的重要任務(wù)是最小化較高頻中的輔助繞組的阻抗。優(yōu)選地，選擇阻抗部件的阻抗值為小，以便使用第一電容器也作為輻射發(fā)射減少元件。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，阻抗部件中的至少一個(gè)是可調(diào)整的。換言之，至少一個(gè)阻抗部件的阻抗可以改變。這使得可以通過改變(一個(gè)或多個(gè))阻抗值來針對(duì)每個(gè)開關(guān)模式電源最小化發(fā)射。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，電路布置包括與第一電容器串聯(lián)I禹合的第二電容器。第二電容器連接在第一電容器與次級(jí)繞組之間或第一電容器與阻抗電路之間。第二電容器用于減少主要由于第一電容器的電容值變化發(fā)生的發(fā)射變化?？梢赃x擇第一和第二電容器的串聯(lián)電容值以具有低變化并且因此減少了總初級(jí)到次級(jí)電容變化。第二電容器可以是可調(diào)整的。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，電路布置包括控制單元，該控制單元適于測(cè)量第二電容器上的電壓并且適于基于測(cè)量的電壓來控制阻抗部件中的至少一個(gè)阻抗部件的阻抗。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，控制單元適于以規(guī)則時(shí)間間隔測(cè)量第二電容器上的電壓。例如可以以1-10 ms間隔測(cè)量電壓。替代地，可以在每次接通開關(guān)模式電源時(shí)測(cè)量電壓。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，阻抗部件包括以下至少一個(gè):電阻器、線圈、電容器或
晶體管。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，阻抗部件是電阻器。在該情況中，阻抗部件和連接至它們的輔助繞組不產(chǎn)生諧振。優(yōu)選地，電阻器的阻抗值與30到80 MHz頻率范圍中的初級(jí)-次級(jí)連接電容的阻抗相比在相同類別中。這限制了將高值電阻用于電阻器。另一方面，如果電阻器的電阻太小，則它們的損耗將大。根據(jù)本發(fā)明的典型開關(guān)模式電源包括初級(jí)側(cè)、次級(jí)側(cè)、初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的變壓器，所述變壓器包括耦合到初級(jí)側(cè)的初級(jí)繞組和耦合到次級(jí)側(cè)的次級(jí)繞組，并且第一電容器適于電容地耦合初級(jí)繞組和次級(jí)繞組。根據(jù)本發(fā)明的典型開關(guān)模式電源還包括輔助繞組和阻抗電路，所述輔助繞組和所述阻抗電路耦合在初級(jí)繞組與電容器之間。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，阻抗電路包括第一阻抗部件和第二阻抗部件，第二阻抗部件與輔助繞組串聯(lián)耦合，并且第一阻抗部件與串聯(lián)連接的第二阻抗部件和輔助繞組并聯(lián)耦合。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，輔助繞組和阻抗電路直接或經(jīng)由至少一個(gè)電容器耦合到初級(jí)繞組，或否則在初級(jí)側(cè)中在高頻意義上的穩(wěn)定電位中。兩個(gè)線圈之間的連接例如可以通過一個(gè)或多個(gè)電阻器。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，布置次級(jí)繞組環(huán)繞初級(jí)繞組，并且布置輔助繞組環(huán)繞次級(jí)繞組。將輔助繞組纏繞在次級(jí)繞組上的優(yōu)勢(shì)在于輔助繞組的波形更好地跟隨次級(jí)繞組的波形。將輔助繞組纏繞在初級(jí)和次級(jí)繞組之間也是可能的。將繞組纏繞在共同核元件上。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，輔助繞組的匝數(shù)小于5。優(yōu)選地，輔助繞組的匝數(shù)是I或2，以便將輔助繞組與次級(jí)繞組之間的寄生電容性電流保持得盡可能小。根據(jù)本發(fā)明的用于減少開關(guān)模式電源中的共模噪聲的典型方法包括使用用于電容地耦合變壓器的初級(jí)繞組與次級(jí)繞組的第一電容器。根據(jù)本發(fā)明的典型方法還包括使用初級(jí)繞組與第一電容器之間的輔助繞組和阻抗電路。在該文本中呈現(xiàn)的本發(fā)明的示例性實(shí)施例不解釋為對(duì)所附權(quán)利要求書的適用性施加限制。在該文本中將動(dòng)詞“包括”用作不排除還有未記載的特征的存在的開放限制。記載在從屬權(quán)利要求中的特征可互相自由地組合，除非否則明確指出。


被視為本發(fā)明特性的新穎特征特別地記載在所附權(quán)利要求書中。然而，當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，根據(jù)具體實(shí)施例的以下描述將更好地理解關(guān)于本發(fā)明的構(gòu)造和其操作的方法的本發(fā)明本身連同其附加目的和優(yōu)勢(shì)。圖1示出了開關(guān)模式電源的示例性初級(jí)電壓波形，
圖2示出了開關(guān)模式電源的示例性次級(jí)電壓波形，
圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的開關(guān)模式電源的示意圖， 圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的開關(guān)模式電源的示意圖，以及 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的變壓器構(gòu)造的剖視圖。
具體實(shí)施例方式分別在圖1和圖2中示出了典型初級(jí)和次級(jí)電壓波形的示例。初級(jí)電壓波形包括在初級(jí)停止傳導(dǎo)時(shí)生成的過沖。利用圖1中的虛線的圈描述了過沖。次級(jí)電壓波形不包括如可以在圖2中看到的此類過沖。圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的反激型(flyback type)開關(guān)模式電源的示意圖。反激式電源300包括初級(jí)濾波電容器301、初級(jí)開關(guān)305、具有初級(jí)繞組302、次級(jí)繞組303和輔助繞組304的變壓器以及整流器二極管306。繞組302、303和304通過變壓器電感地耦合。輔助繞組304連接至初級(jí)側(cè)中的穩(wěn)定電位，在該情況中連接至初級(jí)濾波電容器301，其繼而連接至初級(jí)繞組302。電源300包括用于對(duì)來自干線311的AC電壓整流的橋整流器310。電源300還包括第一阻抗部件307、第二阻抗部件308和第一電容器309。阻抗部件307和308形成輔助繞組304電壓的分壓以供應(yīng)第一電容器309。由于第一電容器309將初級(jí)和次級(jí)連接在一起，出于安全原因，其通常必須是Y電容器類型。電容器元件309可以由兩個(gè)物理電容器組成，以便減少典型Y電容器的變化。由于輔助繞組304的電壓波形可以與次級(jí)繞組303的電壓波形的相似，所以可以使用裝置非常有效地消除次級(jí)生成的電容性發(fā)射電流。必須選擇阻抗部件307和308的阻抗使得電壓形狀不被涉及的電感和電容生成的時(shí)間常數(shù)失真。此外，由于相同的第一電容器309也用于減少輻射的發(fā)射，所以阻抗部件307和308的阻抗值不能太大。如果阻抗部件307和308是電阻器部件，則它們的阻抗對(duì)于具有與在最麻煩的輻射放射頻率處的第一電容器309的阻抗類似大小有用。典型地，該頻率范圍在30 MHz與100 MHz之間。由于輔助繞組電壓正在消除次級(jí)繞組生成的電容性電流，所以其具有與次級(jí)繞組303相同的極性。輔助繞組304不能具有很多匝，因?yàn)樽杩共考?07和308的阻抗值小。如果阻抗部件307和308是電阻器，則如果在輔助繞組304中存在很多匝，則它們中的損耗大。阻抗部件307和308可以是可調(diào)整的。例如，可以在生產(chǎn)期中選擇它們的阻抗值以最小化涉及的不同部件生成的變化的影響。圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的反激型開關(guān)模式電源的示意圖。反激式電源400包括初級(jí)濾波電容器401、初級(jí)開關(guān)405、具有初級(jí)繞組402、次級(jí)繞組403和輔助繞組404的變壓器以及整流器二極管406。電源400還包括用于對(duì)來自干線411的AC電壓整流的橋整流器410。電源400包括第一阻抗部件407、第二阻抗部件408、第一電阻器409和第二電阻器412。第一電容器409是安全部件，而第二電容器器412用于發(fā)射的測(cè)量。初級(jí)與次級(jí)地之間的共模電壓確定發(fā)射的最顯著部分?？梢詫?duì)其進(jìn)行測(cè)量并且基于第二電容器412上測(cè)量電壓對(duì)其進(jìn)行部分地計(jì)算。測(cè)量和計(jì)算由控制單元413執(zhí)行，該控制單元413也適于改變阻抗部件407和408的阻抗值以便最小化變壓器生成的發(fā)射。這樣系統(tǒng)可以主動(dòng)地控制發(fā)射?？刂茊卧?13的實(shí)際實(shí)施可以是很多類型。控制單元413可以包括例如集成電路。當(dāng)橋整流器410不傳導(dǎo)時(shí)，優(yōu)選完成對(duì)第二電容器412上的電壓的測(cè)量。這樣共模電路具有較高阻抗并且可以利用較小誤差測(cè)量電壓。
為了使輔助電壓波形類似于次級(jí)電壓波形，需要特定變壓器線圈布置。特別地，如果初級(jí)電壓中的過沖(參見圖1)不被包括在輔助電壓波形中則其是優(yōu)選的。如果泄漏場(chǎng)不生成去往輔助繞組的電壓則可以實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。圖5示出了輔助電壓波形利用其跟隨次級(jí)電壓波形的變壓器構(gòu)造的剖視圖。將初級(jí)繞組502、次級(jí)繞組503和輔助繞組504纏繞在共同核周圍。次級(jí)繞組503環(huán)繞初級(jí)繞組502，并且輔助繞組504環(huán)繞次級(jí)繞組504。變壓器包括繞組之間的絕緣層514。在圖中僅描述本發(fā)明的有利的示例性實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚本發(fā)明不僅限于上述示例，而是本發(fā)明可以在此后呈現(xiàn)的權(quán)利要求書的限制內(nèi)改變。在從屬權(quán)利要求中描述了本發(fā)明的某些可能的實(shí)施例，并且不將它們視為這樣限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于減少開關(guān)模式電源(300,400)中的共模噪聲的電路布置，所述電路布置耦合在變壓器的初級(jí)繞組(302，402，502 )與次級(jí)繞組(303，403，503 )之間，所述電路布置包括適于電容地耦合所述初級(jí)繞組和所述次級(jí)繞組的第一電容器(309，409)，其特征在于所述電路布置還包括輔助繞組(304，404，504)和阻抗電路，所述輔助繞組和所述阻抗電路耦合在所述初級(jí)繞組與第一電容器之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路布置，其特征在于所述阻抗電路包括第一阻抗部件(307，407)和第二阻抗部件(308，408)，所述第二阻抗部件與所述輔助繞組(304，404)串聯(lián)地耦合，并且所述第一阻抗部件與串聯(lián)連接的第二阻抗部件和輔助繞組并聯(lián)耦合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路布置，其特征在于所述阻抗部件(307，308，407，408)中的至少一個(gè)是可調(diào)整的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路布置，其特征在于所述電路布置包括與所述第一電容器(409)串聯(lián)耦合的第二電容器(412)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述 的電路布置，其特征在于所述電路布置包括控制單元(413)，所述控制單元(413)適于測(cè)量所述第二電容器(412)上的電壓并且基于測(cè)量的電壓控制所述阻抗部件(407，408)中至少一個(gè)阻抗部件的阻抗。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路布置，其特征在于所述控制單元(413)適于以規(guī)則時(shí)間間隔測(cè)量所述第二電容器(412)上的電壓。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求4至6中任意一個(gè)所述的電路布置，其特征在于所述第二電容器(412)是可調(diào)整的。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求2至7中任意一個(gè)所述的電路布置，其特征在于所述阻抗部件(307，308，407，408)包括以下至少一個(gè):電阻器、線圈、電容器或晶體管。
9.一種開關(guān)模式電源(300,400),包括: -初級(jí)側(cè)， -次級(jí)側(cè)， -所述初級(jí)側(cè)與所述次級(jí)側(cè)之間的變壓器，所述變壓器包括耦合至所述初級(jí)側(cè)的初級(jí)繞組(302，402)和耦合至所述次級(jí)側(cè)的次級(jí)繞組(303，403)，以及 -第一電容器(309，409)，其適于電容地耦合所述初級(jí)繞組和所述次級(jí)繞組； 其特征在于所述開關(guān)模式電源還包括輔助繞組(304，404)和阻抗電路，所述輔助繞組和所述阻抗電路耦合在所述初級(jí)繞組與電容器之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)模式電源，其特征在于所述阻抗電路包括第一阻抗部件(307，407)和第二阻抗部件(308，408)，所述第二阻抗部件與所述輔助繞組(304，404)串聯(lián)地耦合，并且所述第一阻抗部件與串聯(lián)連接的第二阻抗部件和輔助繞組并聯(lián)耦合。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的開關(guān)模式電源，其特征在于所述輔助繞組(304，404)和所述阻抗電路直接或經(jīng)由至少一個(gè)電容器耦合到所述初級(jí)繞組(302，402 )。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求9至11中任意一個(gè)所述的開關(guān)模式電源，其特征在于布置所述次級(jí)繞組(303，403，503)環(huán)繞所述初級(jí)繞組(302，402，502)，并且布置所述輔助繞組(304，404，504)環(huán)繞所述次級(jí)繞組。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)模式電源，其特征在于所述輔助繞組(304，404，504)的匝數(shù)小于5。
14.一種用于減少開關(guān)模式電源(300,400)中的共模噪聲的方法，所述方法包括: -使用用于電容地耦合變壓器的初級(jí)繞組(302，402)與次級(jí)繞組(303，403)的第一電容器(309，409)； 其特征在于所述方法還包括: -使用所述初級(jí)繞組與所 述第一電容器之間的輔助繞組(304，404)和阻抗電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于減少開關(guān)模式電源(300，400)中的共模噪聲的電路布置，該電路布置耦合在變壓器的初級(jí)繞組(302，402，502)與次級(jí)繞組(303，403，503)之間，該電路布置包括適于電容地耦合初級(jí)繞組(302，402，502)和次級(jí)繞組(303，403，503)的第一電容器(309，409)。該電路布置還包括輔助繞組(304，404，504)和阻抗電路(307，308，407，408)，所述輔助繞組(304，404，504)和所述阻抗電路(307，308，407，408)耦合在初級(jí)繞組(302，402，502)與第一電容器(309，409)之間。本發(fā)明還涉及用于減少開關(guān)模式電源中的共模噪聲的方法以及開關(guān)模式電源(300，400)。
文檔編號(hào)H02M1/44GK103190063SQ201180042349
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
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