CN102801302A - 利用电感线圈包裹屏蔽实现降噪的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目标是降低开关电源的电磁噪声，从开关电源的磁耦合器件的绕组结构上进行合理安排，利用线圈叠绕后所形成的电场屏蔽效应，减少产生电磁噪声的因素，抑制脉冲噪声的传导，将通常原边置内、副边置外的变压器绕法，改为副边置内、原边置外的变压器绕法，再外加屏蔽层阻挡空间电磁辐射。本发明适用于各类隔离式开关电源变压器的设计制作，特别是降压型的隔离式开关电源，可以消除静电荷放电现象，有效降低开关电源噪声电压的输出。所设计的开关电源样品综合应用各种降噪技术后，输出口差模噪声电压可在达到4mV以下。

Description

利用电感线圈包裹屏蔽实现降噪的方法

技术领域

本发明涉及的内容应该属于电磁兼容技术（EMC）和低压供电技术领域，是一种通过对开关电源变压器线圈绕制结构的改进来降低电路电磁噪声传导能力的措施，是电磁干扰（EMI）抑制技术在开关电源中的体现，与开关电源制造技术密切相关。为生产低电磁噪声开关电源提供技术基础，为开关电源替代线性电源创造条件。 

背景技术

目前，开关电源已经成为电子设备的主要供电装置，已逐步进入到普及阶段。但许多开关电源仍存在输出电压中噪声电压大的弊病，小功率开关电源的噪声电压一般在近百毫伏至几百毫伏之间,其输出电压的稳定性也无法与串联型稳压电源相比，因而在许多对干扰敏感的场合还是受到了较多限制。可以说电子设备中开关电源处于电磁干扰（EMI）较为突出的位置，对于电磁干扰能量的衡量通常用讯扰电平来描述，它包括差模噪声电压和共模噪声电平。随着器件工作速度的不断提高，电磁干扰的问题更加需要解决。为了使得开关电源输出电压中的噪声电压尽量低，工程技术人员采用了许多措施，如滤波法、铁质机箱屏蔽法、短路环抑制辐射法、加平滑电感消振、在器件特性上进行改善、采用合适的线路布局等。虽然这些方法都是行之有效的，不过最终效果与线性电源相比仍然存在较大差距。 

根据开关电源的能量耦合方式，大致可以分为二类：正激励式开关电源和反激励式开关电源。在正激励工开关电源中，作能量耦合的电磁转换装置称为变压器，在反激励式开关电源中，作能量耦合的电磁转换装置称为耦合电感。实际上，变压器和耦合电感在结构上完全一致，只是他们的绕组匝数有所不同，所以在本发明中统称他们为开关电源变压器，即以下所称的开关电源变压器也包括耦合电感。开关电源变压器的输入输出端口电路是产生电磁噪声的主要部位，变压器成了传导噪声的重要途径。 

通常在变压器绕组的绕制中，重点要考虑电感量大小、漏感大小、层间电容三个主要指标。电感量大小要根据电源功率大小确定，与本发明无关。一般的开关电源变压器由高导磁铁氧体材料构成磁路，虽然磁芯磁导率较高，但也是有限的，必定存在漏电感量。在通常的开关电源中，这一漏电感量是造成噪声电压的重要原因之一，设计者希望漏感小一些。另一方面，变压器中绕组线圈采用叠绕的方式，线与线之间、绕层与绕层之间、绕组与绕组之间都会形成电容效应，从而造成电场耦合，使得噪声电压得以传导。尤其是层间电容的传导作用更显著，绕层间电容越小传导量也越小。但解决绕层间电容问题往往和解决漏感问题成为一对矛盾，总不能便两者同时减小。 

隔离式开关电源的绕组根据作用不同分为三类：激励绕组、输出绕组、辅助电源绕组。这里的辅助电源绕组是指为激励电路供电的一个绕组，如果是为输出电路中某些控制电路供电而设置的绕组在本说明书中都归为输出绕组。开关电源变压器绕组的最基本绕法有三种：一是绕组并列排放法，如附图3所示，他的漏感最大，绕组之间电容效应最小，实际很少采用；二是独立绕组包裹绕法，如附图4所示，激励绕组（又称原边绕组）在最内层，辅助电源绕组贴近激励绕组，外面包裹输出绕组（又称副边绕组），这种绕法相比并列排放法的漏感有所减小，绕组之间电容效应有所增大。三是目前比较多的资料特别强调线圈绕制中减小漏感，采用绕层交叉包裹的方法，如附图5和附图6所示，将激励绕组和输出绕组分层交叉包裹叠绕，使得他们的漏感尽量小，但很明显，不同绕组的绕层与绕层贴近面增大，绕组间的电容使得电场耦合效应也增大，噪声电压传导途径更加宽广，在减小因漏感所引起的噪声脉冲的同时,又从另一个方面增大了噪声电压输出的可能性。 

变压器作为产生和传导噪声的重要器件，传统开关电源变压器绕法中漏感和耦合电容的矛盾无法协调。本发明从开关电源变压器绕组结构入手，在本人以前所提出的开关电源的电路自适应续流技术基础上，改变开关电源变压器的绕制结构，切断开关电源噪声电压在其变压器中的电场耦合途径，从而得以降低噪声电压的输出。通过多种降噪手段共同作用，提高开关电源输出电压的纯净度，使其接近线性电源的输出质量。 

本发明所涉及的电磁噪声抑制技术是众多抑制技术中的一类，适用于变压器耦合电磁能量的开关电源，并且需要电路自适应续流技术配合。在实际制造低电磁噪声的开关电源时，应该采用多种技术相结合，排除所有产生干扰的因素后，才能达到理想的目的。电源是多数电子设备中必不可少的一个部件。配备一个高品质的电源，有利于提高电子设备的整体质量。因此，本发明所涉及的方法必定会有一个很好的应用前景。 

发明内容

本发明的基本思想是利用线圈包绕后所形成的外对内的电场屏蔽效应，阻断干扰脉冲信号通过空间直接传递和感应电荷的直接耦合。对于采用耦合电感或变压器耦合电磁能量的开关电源，其变压器线圈采用独立绕组包裹法，并且将脉冲幅度大的激励绕组置于外部，输出绕组包裹于激励绕组的内部，其绕制循序是先在最内层绕输出绕组（副边绕组），如果有多个输出绕组，他们在置于内层的条件下层次可以随意放置。输出绕组之外层面绕激励绕组（原边绕组），激励绕组的激励端置于该绕组本身的外层，激励绕组的电源端置于该绕组本身的内层。最后绕制辅助电源绕组，如附图1所示。绕组的起始端和终止端分配以激励绕组的激励端置于该绕组本身的外层为基本依据，由电路原理要求和布线结构共同确定。由此构成对输出绕组的屏蔽效应，使之具有消除静电荷积聚，减少空间耦合脉冲信号的作用。对于滤波电电感，采用同轴多层包绕形式，也形成有内外之分的空间屏蔽结构，外层端头为滤波电路前端，内层端头为滤波电路后端。 

一般开关电源周期性的噪声电压主要产生于激励管开通和关闭这两个瞬间。在激励管关闭瞬间，主要是漏电感量和变压器副边整流器件上电流跃变产生噪声电压，在此称作关闭噪声。漏电感量越大，所产生的噪声脉冲能量也越大，这也是传统绕工艺中尽量减少绕漏电感量的原因。如果在开关电源的电路设计中采用本人以前提出的电路自适应续流法，激励管关闭噪声已经被抑制得很小，而且，在续流过程中，滤波电感器的电流会拉引变压器磁芯中的磁力线走向，具有减小漏电感量的作用。因此，漏电感量的存在不再是严重问题，在绕组绕制过程中不必刻意地追求减小漏感，为采用独立绕组包裹绕法提供了可行性。事实证明，就是采用漏感较大的开关变压器，仍然可以使得关闭噪声电压幅度很低。 

在激励管开通瞬间，激励管的导通使得激励绕组两端瞬间加上电压，特别是在交流电网供电的电源中，激励绕组激励端的电位跃变量很大，在传统的绕法中，这一电位跃变置于绕组内层，可以通过层间的电容效应传导至外层，也就是传导至输出绕组，以共模噪声出现，直接在电源的输出端产生强烈的噪声电压，而且难以用滤波器滤除，在示波器测量过程中可以看到幅度很大的尖刺脉冲。同时，这一电位跃变可以在层间电容和绕组电感间产生寄生振荡，通过变压器的电磁耦合，以差模噪声的形式在电源的输出端出现。如果改用本发明的绕组绕制方法，输出绕组置于内层，激励绕组置于外层，并且激励绕组的激励端置于外层的外端，绕成内外包裹结构，形成了一个电场屏蔽效应，贴近输出绕组的部分是电位基本稳定的激励绕组电源端，如附图2所示。我们知道，金属球体表面的电荷产生的电场总是向外辐射，不会在其内部产生电场。同样，环形导体的电场也是向外辐射，不会在其内部产生感应电场，最外层的电位跃变很难通过层间感应往内层传导。实际变压器中脉冲信号的传递存在两种形式：一是通过正常的电感产生磁场，磁场又激励电感产生电动势的形式传递交变信号,是主要输送形式；二是通过电场辐射也就是通过空间电场感应传递脉冲信号，破坏了电感的作用效果。激励绕组的激励端外置后，阻止了激励绕组激励端电位跃变通过层间电容直接传导至输出绕组。每一个绕组两端的电势差依然存在，他的作用只是沿导线所建立的电压形成电流，体现出比较单纯的电感特性。当然，变压器绕组结构还不是完整的屏蔽结构，通过种种途径仍然有少量的电位传导存在。相对于传统变压器绕法上，这种结构的开关电源开通噪声输出幅度显著降低。 

电位大幅度变化时在其周围导体中会产生感应电荷。对于利用市电降压的隔离式开关电源，激励绕组的激励端容易激励发出感应电荷。如果按照传统绕法，激励绕组置于内层，会因为激励绕组工作在高电压且电位快速升降状态，其中产生的负电荷（或感应出来的负电荷）在向外辐射强电场的作用之下脱离自身导体往外传导至置于外层的输出绕组上，在输出电路导体的某些位置上堆积，从而引起隔离式开关电源中冷电路（指低压输出电路）与热电路（与市电相连的电路）之间的随机静电放电现象，严重时会引起连续放电现象，产生另一种频谱更丰富的电磁干扰。如果采用本发明的输出绕组置于内层、激励绕组置于外层的结构，还可以防止感应电荷在低电压输出电路中的堆积，避免静电荷放电而引发噪声电压。 

将激励绕组的激励端置于绕组最外部，电位起伏的传导问题是基本被克服了，但存在激励端向空间的电场辐射问题。如果在激励绕组外部再包裹辅助电源绕组，可以在很大程度上吸收这一辐射能量。辅助电源绕组本身一般对干扰不敏感，并且与热电电路形成共地结构，无论是感应静电荷还是感应电压都可以得到良好吸收，阻挡变压器向外辐射电场。 

同样，这一电场屏蔽思想也适用于滤波电感的制作。电感器采用同轴多层包绕形式，形成有内外之分的空间屏蔽结构，外层端头作为电流输入端，内层端头作为电流输出端至少从理论上看有利于减少干扰信号的传输途径。 

本发明中线圈必须是包裹叠绕式，适用于各种规格的降压型开关电源变压器制作，也适用于滤波电感的制作。 

本发明的有益效果是，形成电场屏蔽，阻断一个重要的电位脉冲传导途径，结合其他噪声抑制措施，开关电源输出的差模噪声电压很容易降至4mV以下，再考虑共模噪声，总体的讯扰电平也可以降得较低。 

附图说明

图1是形成电场屏蔽效应的开关电源线圈包绕结构变压器绕组在线包骨架上的分层图。 

图2是线圈包裹绕法形成电场屏蔽效应的示意图。箭头代表导线电场的辐射方向。 

图3是绕组并列式变压器绕组排列图。斜线部分表示磁芯体。 

图4是传统开关电源变压器分组包裹式绕组分层图。 

图5是传统开关电源变压器绕组交叉分层方式之一，原边分段夹副边。 

图6是传统开关电源变压器绕组交叉分层方式之二，副边分段夹原边。 

图7是本发明应用实例的变压器骨架底部引脚图。其中1、4、6、8引脚互为同名端，2、3、5、7引脚互为同名端。 

图8是本发明中变压器绕层分配应用实例。图中1、2、3、4是四个绕组，5是线圈骨架，线圈绕在线包骨架上，其中1和2是输出绕组，置于最内层；3是激励绕组，置于输出绕组的外层；4是辅助电源绕组，在绕最外层。 

图9是本发明应用实例中依据示波器测量得到的电压曲线绘制的输出差模噪声电压波形图。横坐标的时间单位是μs，纵坐标的电压单位是mV。差模噪声电压未超过2mV。 

图10是低讯扰开关电源变压器双激励绕组时在线包骨架上的分层图。 

图11是环形变压器绕组分层图。中间是磁芯，从内到外依次是：输出绕组；绝缘层；激励绕组；绝缘层；辅助电源绕组。 

具体实施方式

本发明在实施中，要根据电路原理要求和线路布局情况，首先确定各绕组的起始端和终止端引线位置、各绕组匝数，再进行绕制。 

下面以一个小功率开关电源制作为例，根据电源电路设计方案,开关电源变压器有四个绕组,分别是激励绕组一个（220匝）、辅助电源绕组一个（13匝）、输出二个（各17匝）。按照线路布局中引线端的布置结构，1、2引脚间为激励绕组，3、4引脚间为辅助绕组，6、7引脚间为一个输出绕组，5、8引脚间为另一个输出绕组。其中1、4、6、8引脚相互间是同名端，2、3、5、7引脚相互间也是同名端，如附图7所示。以激励绕组激励端置于外层为原则，确定第2号引线端置于外层的外端，也就是1端为绕组起始端。这样，用绕线机进行绕制时，4、6、8引脚都是各自绕组的起始端。 

EE25变压器骨架的线槽宽度为10mm，如果采用φ=0.15mm的漆包线绕制激励线圈，每层可以约绕55匝，220匝应分为四层；输出绕组采用φ=0.49mm的漆包线，17匝恰好可以绕制一层。先用φ=0.49mm漆包线绕制6、7端间绕组，以6端为起始端。该层绕毕后外面包裹一层PET绝缘高温胶带；再用φ=0.49mm漆包线绕制5、8端间绕组，以8端为起始端，绕毕后外面包裹一层PET绝缘高温胶带，再加A级电工绝缘纸隔离；隔离层外用φ=0.15mm漆包线绕制1、2端间绕组（激励线圈），以1端为起始端，每一绕层间都包裹一层PET绝缘高温胶带，以增加层间的耐压能力。该绕组完成绕制后，外面再加二层以上专用绝缘高温胶带；最后绕制辅助电源绕组置于最外层，以4端为起始端。这样将辅助电源绕组置于最外层，还能在一定程度上阻挡激励绕组激励端电位起伏所造成的辐射。每一个绕组端头都焊接于骨架相应的引脚上。参见附图8。 

变压器各绕层间绝缘材料视耐压需要而添加，对于激励绕组的绕层不多的变压器，一般在激励绕组每一层间都要添加绝缘高温胶带。对于隔离式开关电源，为了保证其使用安全性，在激励绕组与输出绕组之间还应该添加电工绝缘纸，加强热电路与冷电路之间的隔离能力。 

本发明最好是配合电路自适应续流法开关电源电路，降噪效果会更加显著。同时，还得配合其他降噪声措施，如连接共地电容、在变压器外部加短路环并且接地等，使得他的噪声抑制能力最有效地体现出来。在本应用实例中，当开关电源在8.5V/175mA输出时，其输出差模噪声电压已经降至约2mV_PP，参见附图9。附图9曲线是根据实际测量到的电源输出噪声电压波形曲线临摹的，是客观真实的展现。

当开关电源有多个激励绕组时，如推挽式开关电源有两个激励绕组，有两个激励端需要外置，可以将两个激励绕组并列包裹于输出绕组外层，如附图10所示。并且都以电源端为绕制起始端，绕制方向互为相反，绕制过程会复杂一些，要由适当工艺来完成制作。 

通常在变压器外包裹一层铜箔制作的短路环，来抑制变压器的磁场散射。对于三相供电或者是单相三线供电的开关电源，可以将短路环直接连接至保护接地线上；对于单相两线供电的开关电源，可以将短路环通过一个100kΩ以上高阻值电阻器接至热电路的负极上（一般负极作为热电路的地线），不仅可以抑制变压器的磁场散射，还可以消除静电荷的堆积，防止静电放电现象的出现。这里的单相两线供电的开关电源中没有将短路环直接连接至热电的地线（一般为负极），主要是从人身安全考虑，万一人体触碰到变压器短路环，有电阻限流也不至于造成触电事故。如果将变压器外短路环接至冷电路的地线上，虽然电气安全性高，但不会起到消除静电荷堆积的作用，不宜采用。 

对于环形变压器同样可以以采用本的发明的结构，输出绕组绕于内层，激励绕组绕于输出绕组之外，激励端置于外层，辅助电源绕组绕于最外层，如附图11所示。绕制时要求每一个绕组沿圆环均匀布线，以便尽可能减小漏磁。 

Claims (4)

1.一种利用电感线圈包裹屏蔽实现降噪的方法，其特征是：开关电源变压器或耦合电感器的线圈采用独立绕组包裹法，并且将脉冲幅度大的激励绕组置于外部，输出绕组被包裹于激励绕组的内部，即输出绕组（副边绕组）置于最内层，如果有多个输出绕组，他们在置于内层的条件下层次可以随意放置，输出绕组之外层面绕激励绕组（原边绕组），激励绕组的激励端置于该绕组本身的外层，激励绕组的电源端置于该绕组本身的内层，最外层绕制辅助电源绕组，由此构成对输出绕组的屏蔽效应，使之具有消除静电荷积聚，减少空间耦合脉冲信号的作用；滤波电感采用同轴多层包绕形式，外层端头为滤波电路前端，内层端头为滤波电路后端。

2.根据权利要求1所述的利用电感线圈包裹屏蔽实现降噪的方法，用于开关电源变压器绕制，其激励绕组的电源端总是靠近低压输出绕组，激励端总是远离低压输出绕组。

3.根据权利要求1所述的利用电感线圈包裹屏蔽实现降噪的方法，为激励电路供电的辅助电源绕组绕于线包的最外层，兼作外辐射电场的阻挡层。

4.根据权利要求1所述的利用电感线圈包裹屏蔽实现降噪的方法，用于滤波电感的绕制，将同轴多层包绕的外层端头作为滤波电路前端，内层端头作为滤波电路后端。

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