CN103190063A

CN103190063A - 用于减少开关模式电源中的共模噪声的电路布置和方法以及开关模式电源

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Publication number: CN103190063A
Application number: CN2011800423496A
Authority: CN
Inventors: I.索尔萨
Original assignee: Salcomp Oyj
Current assignee: Salcomp Oyj
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: WO2012028787A2; WO2012028787A3; FI20105926A0; CN103190063B; EP2612427A2; EP2612427B1

Abstract

本发明涉及一种用于减少开关模式电源（300，400）中的共模噪声的电路布置，该电路布置耦合在变压器的初级绕组（302，402，502）与次级绕组（303，403，503）之间，该电路布置包括适于电容地耦合初级绕组（302，402，502）和次级绕组（303，403，503）的第一电容器（309，409）。该电路布置还包括辅助绕组（304，404，504）和阻抗电路（307，308，407，408），所述辅助绕组（304，404，504）和所述阻抗电路（307，308，407，408）耦合在初级绕组（302，402，502）与第一电容器（309，409）之间。本发明还涉及用于减少开关模式电源中的共模噪声的方法以及开关模式电源（300，400）。

Description

用于减少开关模式电源中的共模噪声的电路布置和方法以及开关模式电源

技术领域

本发明涉及根据所附独立权利要求的前序的、用于减少开关模式电源中的共模噪声的电路布置和方法。本发明还涉及合并用于减少共模噪声的电路布置的开关模式电源。

背景技术

开关模式电源（SMPS）广泛使用在各种技术应用中，这主要由于它们的高效和紧凑尺寸。高效是采用开关技术的结果，在开关技术中，向变压器馈送高频脉冲电流。该技术的缺点在于SMPS生成传导的和辐射的电磁干扰（EMI）两者。

传统的开关模式电源包括通过变压器彼此分离的初级侧和次级侧。变压器具有缠绕在共同核元件（common core element）上的初级和次级绕组。向初级绕组馈送的脉冲电流在核元件中和周围产生周期性改变的磁场，能量从其释放到次级绕组并最终释放到负载。由于变压器的绕组中改变的电压，在绕组之间并且也在绕组与例如核元件的电设备的其他部分之间存在生成的电容性电流。这些电容性电流被检测为共模（CM）噪声并且可以是显著的电磁干扰源。初级绕组与次级绕组之间的该电容性电流可以是低功率开关模式电源中最显著的发射源。

已知用于减少开关模式电源中的共模噪声的各种技术。传统技术使用共模电感器和所谓的Y电容器的组合。Y电容器连接在初级和次级地之间。Y电容器将变压器生成的发射电流（emission current）短路，而共模电感器增加电路的阻抗，以便最小化生成的电流。问题在于共模电感器是昂贵的并且是大部件，这也产生了损耗。大价值的Y电容器具有来自电源干线（mains）的泄漏电流的问题。此外，Y电容器减少了其他发射通过它的阻抗。

文献US 7109836 B2公开了其中通过平衡初级绕组与次级绕组之间生成的相对静电场来减少初级绕组与次级绕组之间的电容性位移电流（displacement current）的技术。通过向初级绕组或次级绕组提供平衡部分来平衡该相对静电场。

可以通过使用生成相反方向电流以减少初级和次级绕组生成的发射的附加绕组来消除一些生成的电流。由于电压波形在形状上不同，所以电流不相似并且因此不能适当地消除差异。特别地，当输出功率大时，寄生消除（parasitic cancellation）技术失去其很多效能。

而且，在EMI控制中使用很多类型的传导箔（conducting foil）构造。这些具有与仅具有线圈的变压器结构类似的缺点。

与上述技术相关联的问题在于它们在减少共模噪声时低效并且甚至本身可能在开关模式电源中生成显著的电容性电流。

本发明的目的

本发明的主要目的在于减少或甚至消除上述的现有技术问题。

本发明的一个目的在于提供能够减少开关模式电源中的共模噪声的电路布置和方法。更详细的，本发明的一个目的在于提供能够减少变压器的初级绕组与次级绕组之间的共模电压和其变化的方法和电路布置。

本发明的一个目的还在于提供具有最小共模噪声的开关模式电源。

为了实现上述目的，根据本发明的方法、电路布置和开关模式电源的特征在于在所附独立权利要求的特征部分呈现的内容。本发明的有利实施例在从属权利要求中描述。

发明内容

一种根据本发明的、用于减少开关模式电源中的共模噪声的典型电路布置，该电路布置耦合在变压器的初级绕组与次级绕组之间，包括适于电容地耦合初级绕组和次级绕组的第一电容器。根据本发明的典型电路布置还包括辅助绕组和阻抗电路，所述辅助绕组和所述阻抗电路耦合在初级绕组与第一电容器之间。

本发明提供对在初级绕组与次级绕组的电压用于取消（negate）彼此的生成的电容性共模电流时出现的问题的解决方案。因为初级和次级电压具有不同波形，所以不能完全取消电容性电流，并且在很多情况中甚至没有充分地取消。该问题例如在Y电容器连接在初级和次级绕组之间以便减少共模噪声时出现，并且从负载到地的阻抗小。该情况在电源必须向负载提供更多功率时甚至变得更坏。从初级停止传导时生成的过冲电压导出初级与次级电压波形之间的主要差异。可以将该过冲电压看作初级电压中的振铃波形（ringing waveform）（参见图1）。然而，次级电压不包括此类振铃波形（参见图2）。

本发明的思想是使用具有相似波形的电压来取消彼此。这是通过在初级绕组与第一电容器之间将辅助绕组结合阻抗电路来连接实现的。取决于辅助绕组关于共同核元件上的初级绕组与次级绕组的位置，辅助电压波形具有不同的形状。然而，在一些具体的绕组构造中，过冲电压几乎对辅助电压没有影响。由于这点，可以通过使用根据本发明的电路来有效地减少开关模式电源中的共模电压和其变化。

本发明的另一优势在于共模电感器在开关模式电源中不是必需的，并且第一电容器（Y电容器）可以具有低电容值。

根据本发明的优选实施例，阻抗电路包括第一阻抗部件和第二阻抗部件，第二阻抗部件与辅助绕组串联耦合，并且第一阻抗部件与串联连接的第二阻抗部件和辅助绕组并联耦合。

连接至辅助绕组的阻抗部件形成针对初级与次级之间的共模电压的电压变动的分压（voltage division）。第一阻抗部件的重要任务是最小化较高频中的辅助绕组的阻抗。优选地，选择阻抗部件的阻抗值为小，以便使用第一电容器也作为辐射发射减少元件。

根据本发明的一个实施例，阻抗部件中的至少一个是可调整的。换言之，至少一个阻抗部件的阻抗可以改变。这使得可以通过改变（一个或多个）阻抗值来针对每个开关模式电源最小化发射。

根据本发明的一个实施例，电路布置包括与第一电容器串联耦合的第二电容器。第二电容器连接在第一电容器与次级绕组之间或第一电容器与阻抗电路之间。

第二电容器用于减少主要由于第一电容器的电容值变化发生的发射变化。可以选择第一和第二电容器的串联电容值以具有低变化并且因此减少了总初级到次级电容变化。第二电容器可以是可调整的。

根据本发明的一个实施例，电路布置包括控制单元，该控制单元适于测量第二电容器上的电压并且适于基于测量的电压来控制阻抗部件中的至少一个阻抗部件的阻抗。

根据本发明的一个实施例，控制单元适于以规则时间间隔测量第二电容器上的电压。例如可以以1-10 ms间隔测量电压。替代地，可以在每次接通开关模式电源时测量电压。

根据本发明的一个实施例，阻抗部件包括以下至少一个：电阻器、线圈、电容器或晶体管。

根据本发明的一个优选实施例，阻抗部件是电阻器。在该情况中，阻抗部件和连接至它们的辅助绕组不产生谐振。优选地，电阻器的阻抗值与30到80 MHz频率范围中的初级-次级连接电容的阻抗相比在相同类别中。这限制了将高值电阻用于电阻器。另一方面，如果电阻器的电阻太小，则它们的损耗将大。

根据本发明的典型开关模式电源包括初级侧、次级侧、初级侧与次级侧之间的变压器，所述变压器包括耦合到初级侧的初级绕组和耦合到次级侧的次级绕组，并且第一电容器适于电容地耦合初级绕组和次级绕组。根据本发明的典型开关模式电源还包括辅助绕组和阻抗电路，所述辅助绕组和所述阻抗电路耦合在初级绕组与电容器之间。

根据本发明的一个实施例，阻抗电路包括第一阻抗部件和第二阻抗部件，第二阻抗部件与辅助绕组串联耦合，并且第一阻抗部件与串联连接的第二阻抗部件和辅助绕组并联耦合。

根据本发明的一个实施例，辅助绕组和阻抗电路直接或经由至少一个电容器耦合到初级绕组，或否则在初级侧中在高频意义上的稳定电位中。两个线圈之间的连接例如可以通过一个或多个电阻器。

根据本发明的一个实施例，布置次级绕组环绕初级绕组，并且布置辅助绕组环绕次级绕组。将辅助绕组缠绕在次级绕组上的优势在于辅助绕组的波形更好地跟随次级绕组的波形。将辅助绕组缠绕在初级和次级绕组之间也是可能的。将绕组缠绕在共同核元件上。

根据本发明的一个实施例，辅助绕组的匝数小于5。优选地，辅助绕组的匝数是1或2，以便将辅助绕组与次级绕组之间的寄生电容性电流保持得尽可能小。

根据本发明的用于减少开关模式电源中的共模噪声的典型方法包括使用用于电容地耦合变压器的初级绕组与次级绕组的第一电容器。根据本发明的典型方法还包括使用初级绕组与第一电容器之间的辅助绕组和阻抗电路。

在该文本中呈现的本发明的示例性实施例不解释为对所附权利要求书的适用性施加限制。在该文本中将动词“包括”用作不排除还有未记载的特征的存在的开放限制。记载在从属权利要求中的特征可互相自由地组合，除非否则明确指出。

附图说明

被视为本发明特性的新颖特征特别地记载在所附权利要求书中。然而，当结合附图阅读时，根据具体实施例的以下描述将更好地理解关于本发明的构造和其操作的方法的本发明本身连同其附加目的和优势。

图1示出了开关模式电源的示例性初级电压波形，

图2示出了开关模式电源的示例性次级电压波形，

图3是根据本发明第一实施例的开关模式电源的示意图，

图4是根据本发明第二实施例的开关模式电源的示意图，以及

图5示出了根据本发明一个实施例的变压器构造的剖视图。

具体实施方式

分别在图1和图2中示出了典型初级和次级电压波形的示例。初级电压波形包括在初级停止传导时生成的过冲。利用图1中的虚线的圈描述了过冲。次级电压波形不包括如可以在图2中看到的此类过冲。

图3是根据本发明第一实施例的反激型（flyback type）开关模式电源的示意图。反激式电源300包括初级滤波电容器301、初级开关305、具有初级绕组302、次级绕组303和辅助绕组304的变压器以及整流器二极管306。绕组302、303和304通过变压器电感地耦合。辅助绕组304连接至初级侧中的稳定电位，在该情况中连接至初级滤波电容器301，其继而连接至初级绕组302。电源300包括用于对来自干线311的AC电压整流的桥整流器310。

电源300还包括第一阻抗部件307、第二阻抗部件308和第一电容器309。阻抗部件307和308形成辅助绕组304电压的分压以供应第一电容器309。

由于第一电容器309将初级和次级连接在一起，出于安全原因，其通常必须是Y电容器类型。电容器元件309可以由两个物理电容器组成，以便减少典型Y电容器的变化。由于辅助绕组304的电压波形可以与次级绕组303的电压波形的相似，所以可以使用装置非常有效地消除次级生成的电容性发射电流。必须选择阻抗部件307和308的阻抗使得电压形状不被涉及的电感和电容生成的时间常数失真。此外，由于相同的第一电容器309也用于减少辐射的发射，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是电阻器部件，则它们的阻抗对于具有与在最麻烦的辐射放射频率处的第一电容器309的阻抗类似大小有用。典型地，该频率范围在30 MHz与100 MHz之间。由于辅助绕组电压正在消除次级绕组生成的电容性电流，所以其具有与次级绕组303相同的极性。辅助绕组304不能具有很多匝，因为阻抗部件307和308的阻抗值小。如果阻抗部件307和308是电阻器，则如果在辅助绕组304中存在很多匝，则它们中的损耗大。

阻抗部件307和308可以是可调整的。例如，可以在生产期中选择它们的阻抗值以最小化涉及的不同部件生成的变化的影响。

图4是根据本发明第二实施例的反激型开关模式电源的示意图。反激式电源400包括初级滤波电容器401、初级开关405、具有初级绕组402、次级绕组403和辅助绕组404的变压器以及整流器二极管406。电源400还包括用于对来自干线411的AC电压整流的桥整流器410。电源400包括第一阻抗部件407、第二阻抗部件408、第一电阻器409和第二电阻器412。第一电容器409是安全部件，而第二电容器器412用于发射的测量。

初级与次级地之间的共模电压确定发射的最显著部分。可以对其进行测量并且基于第二电容器412上测量电压对其进行部分地计算。测量和计算由控制单元413执行，该控制单元413也适于改变阻抗部件407和408的阻抗值以便最小化变压器生成的发射。这样系统可以主动地控制发射。控制单元413的实际实施可以是很多类型。控制单元413可以包括例如集成电路。当桥整流器410不传导时，优选完成对第二电容器412上的电压的测量。这样共模电路具有较高阻抗并且可以利用较小误差测量电压。

为了使辅助电压波形类似于次级电压波形，需要特定变压器线圈布置。特别地，如果初级电压中的过冲（参见图1）不被包括在辅助电压波形中则其是优选的。如果泄漏场不生成去往辅助绕组的电压则可以实现这点。图5示出了辅助电压波形利用其跟随次级电压波形的变压器构造的剖视图。将初级绕组502、次级绕组503和辅助绕组504缠绕在共同核周围。次级绕组503环绕初级绕组502，并且辅助绕组504环绕次级绕组504。变压器包括绕组之间的绝缘层514。

在图中仅描述本发明的有利的示例性实施例。本领域技术人员应该清楚本发明不仅限于上述示例，而是本发明可以在此后呈现的权利要求书的限制内改变。在从属权利要求中描述了本发明的某些可能的实施例，并且不将它们视为这样限制本发明的保护范围。

Claims

1. 一种用于减少开关模式电源（300，400）中的共模噪声的电路布置，所述电路布置耦合在变压器的初级绕组（302，402，502）与次级绕组（303，403，503）之间，所述电路布置包括适于电容地耦合所述初级绕组和所述次级绕组的第一电容器（309，409），其特征在于所述电路布置还包括辅助绕组（304，404，504）和阻抗电路，所述辅助绕组和所述阻抗电路耦合在所述初级绕组与第一电容器之间。

2. 根据权利要求1所述的电路布置，其特征在于所述阻抗电路包括第一阻抗部件（307，407）和第二阻抗部件（308，408），所述第二阻抗部件与所述辅助绕组（304，404）串联地耦合，并且所述第一阻抗部件与串联连接的第二阻抗部件和辅助绕组并联耦合。

3. 根据权利要求2所述的电路布置，其特征在于所述阻抗部件（307，308，407，408）中的至少一个是可调整的。

4. 根据权利要求3所述的电路布置，其特征在于所述电路布置包括与所述第一电容器（409）串联耦合的第二电容器（412）。

5. 根据权利要求4所述的电路布置，其特征在于所述电路布置包括控制单元（413）,所述控制单元（413）适于测量所述第二电容器（412）上的电压并且基于测量的电压控制所述阻抗部件（407，408）中至少一个阻抗部件的阻抗。

6. 根据权利要求5所述的电路布置，其特征在于所述控制单元（413）适于以规则时间间隔测量所述第二电容器（412）上的电压。

7. 根据前述权利要求4至6中任意一个所述的电路布置，其特征在于所述第二电容器（412）是可调整的。

8. 根据前述权利要求2至7中任意一个所述的电路布置，其特征在于所述阻抗部件（307，308，407，408）包括以下至少一个：电阻器、线圈、电容器或晶体管。

9. 一种开关模式电源（300，400），包括：

- 初级侧，

- 次级侧，

- 所述初级侧与所述次级侧之间的变压器，所述变压器包括耦合至所述初级侧的初级绕组（302，402）和耦合至所述次级侧的次级绕组（303，403），以及

- 第一电容器（309，409），其适于电容地耦合所述初级绕组和所述次级绕组；

其特征在于所述开关模式电源还包括辅助绕组（304，404）和阻抗电路，所述辅助绕组和所述阻抗电路耦合在所述初级绕组与电容器之间。

10. 根据权利要求9所述的开关模式电源，其特征在于所述阻抗电路包括第一阻抗部件（307，407）和第二阻抗部件（308，408），所述第二阻抗部件与所述辅助绕组（304，404）串联地耦合，并且所述第一阻抗部件与串联连接的第二阻抗部件和辅助绕组并联耦合。

11. 根据权利要求9或10所述的开关模式电源，其特征在于所述辅助绕组（304，404）和所述阻抗电路直接或经由至少一个电容器耦合到所述初级绕组（302，402）。

12. 根据前述权利要求9至11中任意一个所述的开关模式电源，其特征在于布置所述次级绕组（303，403，503）环绕所述初级绕组（302，402，502），并且布置所述辅助绕组（304，404，504）环绕所述次级绕组。

13. 根据权利要求12所述的开关模式电源，其特征在于所述辅助绕组（304，404，504）的匝数小于5。

14. 一种用于减少开关模式电源（300，400）中的共模噪声的方法，所述方法包括：

- 使用用于电容地耦合变压器的初级绕组（302，402）与次级绕组（303，403）的第一电容器（309，409）；

其特征在于所述方法还包括：

- 使用所述初级绕组与所述第一电容器之间的辅助绕组（304，404）和阻抗电路。