CN103380566A - 带有干扰抑制的电源以及用于操作电源的方法 - Google Patents

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Abstract

一种开关式电源，包括具有初级绕组(105)和次级绕组(108)的变压器。开关(106)与所述初级绕组(105)串联耦接，且被配置为反复地中断通过所述初级绕组(105)的电流。电感器(501)处于这样的位置以使其检测变压器的漏磁通。所述电感器(501)和包含所述初级绕组(105)和次级绕组(108)其中之一的电路之间存在连接。所述连接被配置为将第一电压从所述电感器(501)连接至所述电路，该第一电压具有第二电压所表现的波形且极性与该第二电压相反，所述第二电压是在所述开关(106)的切换时刻由所述漏磁通在所述开关式电源中感生的。

Description

带有干扰抑制的电源以及用于操作电源的方法
技术领域
本发明一般而言涉及其中初级侧和次级侧通过变压器联接在一起的开关式电源的技术领域。特别地，本发明涉及这种开关式电源中电磁干扰的抑制。
背景技术
图1示出回扫型(flyback-type)开关式电源的已知原理。该电源包括通过变压器联接在一起的初级侧101和次级侧102。输入至初级侧的AC(交流电)在整流器103中经过整流。扼流器104和电容器111在整流器输出处起到滤波器的作用。用振荡器电路107所驱动的开关106对通过变压器的初级绕组105的初级电流进行有规律的切断(chop)。截断初级绕组105中的电流使得曾暂存于变压器磁场中的能量以通过变压器次级绕组108的电流的形式释放。次级侧的二极管109对次级电流进行整流并使得次级电压维持在电容器110两端。所述次级电压充当电源的DC(直流)输出电压。
开关式电源的操作包括通过感性电路元件的电流的快速变化，这进而成为电磁干扰(EMI)的已知来源。为了不干扰其他电子器件的操作，以及还为了减小电源自身组件的不必要负载，尽可能地抑制电磁干扰的各种来源会是有利的。针对EMI抑制的两种已知且广泛使用的方法包括在电源本身及其连接中使用滤波器组件，以及在电源和/或其部件周围使用导电屏蔽体。
发明内容
根据第一个方案，可提供一种开关式电源，包括：变压器，其具有初级绕组和次级绕组；以及开关，其与所述初级绕组串联耦接，且被配置为反复地中断通过所述初级绕组的电流。所述开关式电源可包括：电感器，其位置相对于所述初级绕组和次级绕组被配置而感生的多个磁场有所不同；以及所述电感器和包含所述初级绕组和次级绕组其中之一的电路之间的连接；其中所述连接被配置为将第一电压从所述电感器连接至所述电路，该第一电压具有第二电压所表现的波形且极性与该第二电压相反，所述第二电压是在所述开关的切换时刻由所述变压器的漏磁通在所述开关式电源中感生的。由此可实现对共模电磁干扰的有效抑制。
根据另一方案，可提供一种用于操作开关式电源的方法，包括：反复地中断通过变压器中初级绕组的电流。该方法可包括：感生第一电压，该第一电压具有第二电压所表现的波形且极性与该第二电压相反，所述第二电压是在中断所述电流的时刻由所述变压器的漏磁通感生的；以及将所述第一电压连接至包含所述变压器其中一个绕组的电路。由此可实现减小所述开关式电源中共模电磁干扰的水平。
本文中所举的示例性实施例并非要解读为对所附权利要求的适用性作出限制。本文中的动词“包括”是用来作为不排除还存在未记载特征的开放式限定。除非另有明确表示，否则在从属权利要求中记载的特征可互相自由组合。
被认为是本发明特点的新特征在所附权利要求中具体阐述。然而，通过结合说明书附图阅读以下具体示例实施例的描述，能够对本发明自身无论是关于其构造还是其操作方法以及其额外的目的和优点有最佳的理解。
附图说明
图1示出示例的开关式电源，
图2示出示例的变压器，
图3示出漏电感的概念，
图4示出示例情况中的测量共模电压，
图5示出位于变压器附近的示例电感器，
图6示出示例的开关式电源，
图7示出示例电感器两端的测量电压，
图8示出示例情况中的测量共模电压，
图9示出示例的开关式电源，
图10示出示例情况中的测量共模电压，以及
图11示出示例的开关式电源。
具体实施方式
现在将参照图2至图11说明开关式电源及方法的示例。
本发明的实施例有关于共模干扰。根据发现，共模干扰在很多情况下都与开关式电源的一部分中由变压器里的漏磁通所感生的电压有关。因此简要讨论漏磁通的概念及其效果。
图2示出示例变压器的截面。在该示例中，初级绕组105和次级绕组108已被卷绕成同心绕着变压器铁芯201的杆状部的圆柱形绕组，其中次级绕组更靠近所述铁芯。可选地，初级绕组可卷绕得更靠近铁芯。电绝缘体层以及可能的辅助线圈隔开所述绕组，但为图示清楚起见而在附图中省略了它们。
为了尽可能高效地实施从初级侧到次级侧的能量传递，应当尽可能紧密地将所述初级绕组和次级绕组互相磁性联接。如果用磁通量线来示出绕组的磁场，则它们应当尽可能多地环绕两个绕组的导体的截面。然而，在实际变压器中，一个绕组的一些磁通量总是会与另一绕组保持解耦合(uncoupled)。在图2中，磁通线202为两个绕组共有的，但磁通线203示出初级绕组105的磁通量未耦合至次级绕组108。这样的磁通量被称为漏磁通，并且其引起被称为漏电感的现象。
在像图2那样的变压器配置中，漏磁通并不仅仅是外侧绕组的专属。有可能绘出这样一条磁通线，其如此紧密地环绕次级绕组108的导体截面以至于其不会环绕初级绕组105的导体截面。这样的磁通线会表现出与内侧(即次级)绕组关联的漏磁通。
在开关式电源的操作期间，能量反复地存储在所述漏磁通中以及从其中释放。在图2的示例变压器中，其效果就像是有第一自由电感器(free inductor）与初级绕组串联耦接并且有第二自由电感器与次级绕组串联耦接。图3示出这样虚拟的串联耦接电感器301和302。在图3的左侧，开关106闭合，并且初级电流Ip流经初级绕组的理想表示303和第一虚拟串联耦接电感器301这二者。在图3的右侧，开关106刚好被断开。中断所述初级电流使得曾暂存于磁场中的大部分能量以次级电流IS的形式释放到次级侧中，该次级电流IS流经次级绕组的理想表示304和第二虚拟串联耦接电感器302这二者。然而，例如有概念上关联于所述第一串联耦接电感器301的漏磁通感生出电压VI，该电压VI的极性使其试图抵抗初级电流的突然降低。由于感生电压的大小与电流的变化速度成比例，所以初级电流的突然切换感生出相对较高的电压。
应当强调的是，第一和第二串联耦接电感器301和302物理上并不存在。它们只是漏电感概念的图示表现。
图4示意性地示出切换脉冲附近的时间期间在初级绕组和次级绕组之间的示例测量电压，在该切换脉冲处初级开关先是闭合然后断开。这是所谓的共模电压，其一般示出在变压器处测量的初级侧和次级侧之间的电势差。通常该电势差基本上是在值C附近恒定的，该值C例如可为零。然而，在切换脉冲期间(即，在初级电流的开关保持导通时的时间期间)，能看出某一脉冲形的电势差，其在图4中出现于时间间隔401期间。在切换脉冲结尾的切换时刻，也即，在所述开关变成非导通的时刻，开始从漏磁通释放能量。在时间间隔402期间，出现一电压波形，其与由漏磁通所释放的能量感生的电压相关联。
彼此位置紧密的电传导部件中的高电压造成电容耦合，其是通过电场而不是磁场发生的能量传递的一般名称。尤其是，由漏磁通所释放的能量感生出的相对较高电压通过电容耦合而在变压器上造成共模电压。
图5示出变压器具有初级绕组105和次级绕组108的示例配置。假设图5的变压器是开关式电源的一部分，该开关式电源包括与初级绕组105串联耦接的开关(图5中未显示)。所述开关被配置为根据开关式电源中利用的已知原理来反复中断通过初级绕组105的电流。
除变压器外还有电感器501，其所处的位置相对于所述初级绕组和次级绕组被配置以感生的多个磁场有所不同。由于其位置，所述电感器501充当一种测量漏磁通的传感器。例如，如果电感器501是要测量关联于初级绕组105的漏磁通，则其位置“相对于所述初级绕组和次级绕组被配置以感生的多个磁场有所不同”最为有利的是使得与次级绕组相比初级绕组的磁通量有更大部分与电感器501耦合。
由于其位置，电感器501在初级电流被中断的切换时刻将经历感生的电压波形。如果在电感器501与包含初级绕组和次级绕组其中之一的电路之间存在连接，则有可能利用这一感生电压波形来抵抗由漏磁通释放的能量所引起的共模干扰。所述连接最为有利的是使得所述电压波形表示第二电压且极性与该第二电压相反，该第二电压是在开关的所述切换时刻由变压器的漏磁通在所述开关式电源中感生的。换言之，电感器501处的感生电压波形的极性优选与变压器上共模电压的波形相反。
图6示出开关式电源中某些部件的简化示例。初级电流路径包括一电路，该电路的部件为：扼流器104，其还可被称为大容量电感器(bulk inductor)或第二电感器；初级绕组105；以及开关106。所述电感器501与开关106耦接。
相比上文更概括的说明，所述“包含初级绕组和次级绕组其中之一的电路”这里是指初级电流路径，并且所述“电感器501和所述电路之间的连接”这里是指电感器501与初级电流路径的开关106的连接。通过适当选择电感器的极性，能够确保电感器501中感生的第一电压具有期望极性，即与所述开关的切换时刻由变压器的漏磁通在开关式电源中感生出的第二电压极性相反。
在图6的示例开关式电源中，扼流器104的电感比电感器501的电感高(例如10倍)。扼流器104中较高的电感有助于将生成电压的波形维持得与变压器上漏磁通所生成电压的波形相似。
操作像图6那样的开关式电源包括反复地中断通过变压器中初级绕组105的电流。由于电感器501的位置相对于初级绕组和次级绕组被配置以感生的磁场有所不同，这使得感生至电感器501中的第一电压表现出中断所述电流的时刻由所述变压器的漏磁通所感生的第二电压的波形且极性与其相反。图6中所示的连接使得将所述第一电压连接至包含变压器其中一个绕组(这里是初级绕组)的电路。
开关式电源的初级侧可在初级电流的正轨(positive rail)和负轨(negativerail)之间包含电容器。在图6的示例耦接中，电容器601与扼流器或大容量电感器或第二电感器104一起都是初级滤波配置的一部分。实际具有内电容的电感器501可组成会引起有害振荡(unwanted ringing)的LC谐振电路。该谐振还可能来自系统中的其他电抗元件。如有必要，其可通过将电阻器602与电感器501并联耦接来避免。并联电阻器602的阻值应当选择得足够高从而使其不会实质上使电感器501短路。也即，电感器501两端的并联电阻过低会不必要地使电感器501中感生的电压流失，这会在抵抗由变压器的漏电感所造成的EMI时降低它的值。
图7示出开关式电源中在电感器501两端测量的示例电压，该开关式电源包含像图6那样的配置。位置701和702处的电压尖峰被认为是开关式电源的高压部件与电感器501之间电容耦合的结果。此外，或者可选地，它们可指示通过电感器501的共模电流。然而，在时间间隔703期间明显有一电压波形表现出图4示出为由变压器的漏磁通而在初级绕组和次级绕组之间感生出的第二电压的波形且极性与其相反。
图8示出开关式电源中的示例测量共模电压，该开关式电源包含像图6那样的配置。因而图8的电压图形可与图4的相比较，差异在于图8的电压图形是在包括共模干扰抑制配置的开关式电源中测量的。在时间间隔401期间仍然有脉冲形的电势差，但紧随其后在时间间隔703期间图4中存在的漏磁通感生的电势差波形现在不显著得多。
如有必要，切换脉冲的开头和结尾处在图8的电压图形中可见的短时瞬态(short transient)能够加以衰减。图9示出实施了这样的衰减的开关式电源中某些部件的简化示例。
在图9的开关式电源中，变压器具有初级绕组105和次级绕组108。开关106与所述初级绕组串联耦接且被配置为反复地中断通过所述初级绕组的电流。电感器501所处的位置相对于所述初级绕组和次级绕组被配置以感生的磁场有所不同，并且在所述电感器501与包含所述初级和次级绕组其中之一(这里特别是指初级绕组105)的电路之间存在连接。所述连接被配置为将第一电压从所述电感器连接至所述电路，该第一电压具有在所述开关的切换时刻由所述变压器的漏磁通在所述开关式电源中感生的第二电压所表示的波形且极性与其相反。由电感器501生成的共模电压与变压器上的共模电压串联。
该变压器具有极性与电容耦合电压相反的辅助绕组904。通常，最高的电压是在初级侧中，并且这造成最强的电容耦合。在这种情况下，辅助绕组904的极性与初级电压相反。辅助绕组904和电容器901的串联耦接再与电感器501并联耦接。通过使用适当选择的小电容器901能够实质上消除电容耦合的效果。高频尖峰701和702还可因除电容耦合之外的其他一些原因而发生。如果所述脉冲的频率含量在相位上相反，则依然可使用所描述的电容消除处理。相对较小电容值的电容器901通常就已足够；在根据本发明实施例的示例配置中，使用了1皮法(picofarad)的电容。
与图6中类似，图9的开关式电源包括与初级绕组105、开关106、和电感器501耦接的第二电感器104(还被称为扼流器或大容量电感器)。在第二电感器104、初级绕组105、开关106、以及电感器501的串联耦接中，所述第二电感器104与电感器501相比是位于初级绕组105和开关106的另一侧。还可以将电感器104和501的位置在彼此之间互换。进一步，可以通过一个或多个电子组件将第二电感器104和/或电感器501耦接至初级绕组105和开关106的串联连接。例如，在第二电感器104和初级绕组105之间可耦接整流器。
所述开关式电源还可在初级电流的正轨和负轨之间包括电容器。在图9的示例中，所述开关式电源包括与串联耦接的所述第二电感器104、所述初级绕组105、所述开关106和所述电感器501并联耦接的电容器902。图9的开关式电源还包括与串联耦接的所述初级绕组105和所述开关106(而并非所述电感器501或所述第二电感器104)并联耦接的电容器903。
图10示出开关式电源中的示例测量共模电压，该开关式电源包含像图9那样的配置。因而图10的电压图形可与图8的相比较，差异在于图10的电压图形是在包括图9中电容器901和辅助绕组904的开关式电源中测量的。在时间间隔401期间仍然有脉冲形的电势差，但其开头和结尾处的短时瞬态显著比图8中的幅度小。
有规律的脉冲共模干扰相对较容易得到抑制。因而，通过在开关式电源中除目前为止所描述的电感器501之外还包括脉冲共模干扰抑制电路，能够使图8和图10的电压-时间图形接近恒定电压处直线的最佳形状，该脉冲共模干扰抑制电路用于抑制在比之前提及波形更长的时间尺度上发生的共模干扰。
实际放置电感器501以使其位置相对于初级绕组和次级绕组被配置以感生的磁场有所不同，这可便利地通过在电路板上适当选取变压器和电感器的安装位置来完成。图11示意性示出示例开关式电源的部件，其包括变压器1102与之附连的电路板1101。电感器501在变压器1102附近与所述电路板1101附连。例如通过实验能够找到对于电感器501的合适位置，在该位置处电感器501能够适当地感测与漏电感相关的磁通量。
作为可选，其任务是感测与漏电感有关的磁通量的电感器能够被构建为变压器的一部分。由变压器技术所公知的，能够以多种方式绕共同铁芯或在共同变压器结构内放置数个绕组。仍然能够例如通过实验来找到附加电感器可足够清楚地感测到与漏电感有关的磁通量的最合适的配置。
本说明书中所举的示例仅为本发明的适用性的示例，而不应当解释为限制所附权利要求中限定的保护范围。例如，在所有附图中，已经省略了开关式电源中对于共模电磁干扰的生成和抑制而言无关紧要或毫无意义的这些部件和组件。另外，即使图5和图11看来是建议变压器绕组的纵轴相对于附加电感器的纵轴应当成直角，但这仅仅是与图示清楚有关的选择，而并非限制以不同方式选取这些纵轴的方向。在很多情况下，这些绕组甚至并非圆柱形，此时谈及任何纵轴或是它们的方向就变得毫不相干。
一类重要的可选实施例包括这样的开关式电源，其中漏磁通感测电感器是连接至次级绕组，而并非像前述实施例那样是连接至初级绕组。由于图4、图8和图10中所示的共模电压是初级绕组和次级绕组之间的电势差，所以通过影响初级绕组或次级绕组中任一或二者的电势都能够影响该共模电压。在连接漏磁通感测电感器时应当注意其适当的极性，这是因为以不当的方式将其耦接会使所述漏磁通感生共模干扰电压增大而不是减小。然而，由于电感器的最简单形式只具有两端，所以如果没有以其他方式得知，也容易测试在每种情况中应当以哪种方式连接该电感器。

Claims (9)

1.一种开关式电源，包括：
变压器，具有初级绕组和次级绕组，以及
开关，与所述初级绕组串联耦接，且被配置为反复地中断通过所述初级绕组的电流，
其特征在于，所述开关式电源包括：
电感器，其位置相对于所述初级绕组和次级绕组被配置而感生的多个磁场有所不同，以及
连接，在所述电感器与包含所述初级绕组和次级绕组其中之一的电路之间；
其中所述连接被配置为将第一电压从所述电感器连接至所述电路，该第一电压具有第二电压所表现的波形且极性与该第二电压相反，所述第二电压是在所述开关的切换时刻由所述变压器的漏磁通在所述开关式电源中感生的。
2.根据权利要求1所述的开关式电源，其特征在于：
所述电感器与所述开关耦接。
3.根据权利要求1或2所述的开关式电源，其特征在于：
所述开关式电源包括辅助绕组和电容器的串联耦接，所述串联耦接与所述电感器并联耦接。
4.根据权利要求2或3所述的开关式电源，其特征在于：
所述开关式电源包括与所述初级绕组、所述开关和所述电感器串联耦接的第二电感器，并且
在所述第二电感器、所述初级绕组、所述开关和所述电感器的串联耦接中，所述第二电感器与所述电感器相比是位于所述初级绕组和所述开关的另一侧。
5.根据权利要求4所述的开关式电源，其特征在于：
所述开关式电源包括与串联耦接的所述第二电感器、所述初级绕组、所述开关和所述电感器并联耦接的第一电容器，并且
所述开关式电源包括与串联耦接的所述初级绕组和所述开关而并非所述电感器或所述第二电感器并联耦接的第二电容器。
6.根据前述任一项权利要求所述的开关式电源，其特征在于：
除所述电感器外，其还包括脉冲共模干扰抑制电路，用于抑制在比所述波形更长的时间尺度上发生的共模干扰。
7.根据前述任一项权利要求所述的开关式电源，其特征在于：
所述开关式电源包括电路板，所述变压器附连至该电路板，并且
所述电感器在所述变压器的附近附连至所述电路板。
8.一种用于操作开关式电源的方法，包括：
反复地中断通过变压器中初级绕组的电流，
其特征在于该方法包括：
感生第一电压，该第一电压具有第二电压所表现的波形且极性与该第二电压相反，所述第二电压是在中断所述电流的时刻由所述变压器的漏磁通感生的，以及
将所述第一电压连接至包含所述变压器其中一个绕组的电路。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于包括：
用串联耦接的辅助绕组和电容器来衰减所述第一电压中的短时瞬态。
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