CN104183374B - 用于在隔离的dc到dc开关电源中使用的隔离变压器 - Google Patents

Abstract

一种隔离的DC到DC开关电源包括隔离变压器，其具有磁芯、环绕磁芯的第一绕组、环绕磁芯的第一绕组屏蔽、第一绕组屏蔽内的第二绕组屏蔽以及第二绕组屏蔽内的第二绕组。由于第二绕阻被围绕在第二绕组屏蔽内，且第二绕组屏蔽被围绕在第一绕组屏蔽内，因此在第一绕组和第二绕组之间不存在直接耦合。

Description

用于在隔离的DC到DC开关电源中使用的隔离变压器

技术领域

本公开涉及通过使用具有低漏电感和低隔离电容的隔离变压器来降低隔离的DC到DC开关电源中的噪声而增强隔离的DC到DC开关电源。

背景技术

开关电源因生成电噪声而声名狼藉。然而，隔离的开关电源经由穿过隔离的开关电源的隔离势垒（isolation barrier）的位移电流而添加了电噪声。通常，隔离变压器被用于提供开关电源的输入和输出之间的隔离势垒。然而，隔离变压器的设计可能极大地影响开关电源内电噪声的水平。

大部分隔离的开关DC到DC电源使用隔离变压器，其包含初级绕组和次级绕组之间的静电绕组屏蔽（winding-shielding）。这些变压器的目的在于使初级绕组的电压摆动（voltage swing）仅耦合到初级绕组屏蔽并且次级绕组的电压摆动仅耦合到次级绕组屏蔽；然而当前在使用的变压器仍然跨隔离势垒而产生大量电噪声。初级绕组和次级绕组的分离导致变压器中的高漏电感。高漏电感经常增加开关电源的电噪声。

低漏电感变压器构造方法是使用双线绕组（bifilar winding）技术来缠绕变压器，其中两条电线同时紧接于彼此地相缠绕。由于线对（wire pair）重复地缠绕在磁芯周围，线对的每一匝耦合于其它匝，其然后放置在先前的匝上。这种附加的耦合改变漏电感和隔离电容。绕组过程中的小改变能够引起对这些耦合的改变。因而，静电耦合不是很好的受控，从而引起穿过隔离势垒的位移电流。

因此，仍然存在对于改进的隔离变压器的需要。在理想变压器中，初级和次级绕组之间的静电耦合仅在初级和次级绕组屏蔽之间。两个绕组屏蔽电压摆动是相同的，并因而在其之间不存在位移电流。初级绕组的电压摆动仅耦合到初级绕组屏蔽，并且次级绕组的电压摆动仅耦合到次级绕组屏蔽。同样在理想变压器中，漏电感应当保持如双线缠绕的初级/次级变压器中那样低。

发明内容

公开的技术的某些实施例包括用于隔离的开关DC到DC电源的隔离变压器，其中初级和次级绕组之间的静电耦合仅发生在初级绕组绕组屏蔽和次级绕组绕组屏蔽之间。

某些实施例包括隔离的DC到DC开关电源，其包括隔离功率变压器，所述隔离功率变压器具有磁芯、环绕磁芯的第一绕组、环绕磁芯的第一绕组屏蔽、第一绕组屏蔽内的第二绕组屏蔽，以及第二绕组屏蔽内的第二绕组。

附图说明

图1图示根据公开的技术的某些实施例的隔离变压器。

图2是图1中示出的隔离变压器的电缆和外部电线的横截面视图。

图3图示根据公开的技术的其它实施例的隔离变压器。

图4是图3中示出的隔离变压器的电缆和外部电线的横截面视图。

图5图示根据公开的技术的某些实施例的隔离变压器。

图6是图5中示出的隔离变压器的电缆的横截面视图。

图7图示根据公开的技术的其它实施例的隔离变压器。

图8图示根据公开的技术的某些实施例的隔离变压器的电路图。

图9图示根据图8中示出的实施例的隔离变压器。

具体实施方式

在不一定按比例的附图中，公开的系统和方法的同样或对应的元素由相同的参考数字来标示。

为了降低隔离的开关DC到DC电源中的噪声，公开的隔离变压器降低跨电源的隔离势垒的噪声。在公开的变压器中，初级绕组和次级绕组之间的耦合仅在第一绕组屏蔽和第二绕组屏蔽之间。也就是说，初级绕组和次级绕组完全与彼此隔离。

图1是隔离变压器100的示例，其具有由绝缘层104所覆盖的卷绕在磁芯106周围的两个第一电线102，充当第一绕组。隔离变压器100还包括卷绕在磁芯106周围的双屏蔽电缆。最先两个电线在双屏蔽电缆外部。双屏蔽电缆包括外部绝缘层108。外部绝缘层108围绕外静电绕组屏蔽110、第一绝缘层112、内静电绕组屏蔽114、两个第二绝缘层116、以及两个第二电线118。“静电绕组屏蔽”贯穿说明书也将被称为“绕组屏蔽”。两个第二电线118各自覆盖有第二绝缘层116。两个第二电线118和第二绝缘层116位于内绕组屏蔽114内部，其位于外绕组屏蔽110内部。第一电线102、第二电线118、外绕组屏蔽110和内绕组屏蔽114中的每一个在焊接点120处被焊接到电路板。在双屏蔽电缆中，内绕组屏蔽114和外绕组屏蔽110由铜编织套（braided sheath）构成。

在图2中示出双屏蔽电缆的层连同双屏蔽电缆外部的第一电线102的横截面。第一电线102和第二电线118二者都可以是变压器的初级或次级绕组，如本领域普通技术人员将容易理解的。为了易于讨论，第二电线118将一起被称为初级绕组，并且第一电线102将一起被称为次级绕组。在该布置中，内绕组屏蔽114充当初级绕组屏蔽，并且外绕组屏蔽110充当次级绕组屏蔽。由于初级绕组完全被包在初级绕组屏蔽内，并且初级绕组屏蔽完全被包在次级绕组屏蔽中，因此在初级绕组和次级绕组之间不存在直接耦合。因此，初级绕组的电压摆动仅耦合到初级绕组屏蔽，并且次级绕组的电压摆动仅耦合到次级绕组屏蔽。两个绕组屏蔽之间的电容不被充电或放电。因此，不存在从初级绕组屏蔽到次级绕组屏蔽的电荷流。

在图1中示出的该实施例中，第一电线102和第二电线118二者的变压器的中心绕组具有与外绕组屏蔽110和内绕组屏蔽114相同的电压。由于该特征，外绕组屏蔽110或次级绕组屏蔽能够被用作变压器的次级绕组的中心匝，并且内绕组屏蔽114或初级绕组屏蔽能够被用作变压器的初级绕组的中心匝。

该实施例包括同轴电缆，而不是双屏蔽电缆。如果使用同轴电缆，则第一电线102将会仍然在同轴电缆外部。可能合期望的是，使用单个第一电线102或在图1中示出的两个第一电线的更多的电线。同轴电缆包括中心导体、内绝缘层、外导体和外绝缘层。在同轴电缆内，中心导体将会作为第二绕组屏蔽和第二绕组这两者来起作用。外导体将会作为第一绕组屏蔽来起作用。

图3示出与图1的实施例类似的实施例。然而，在该示例中，在隔离变压器200中使用三个第一电线102，连同三个第二电线118。三个第一电线102中的每一个以及三个第二电线118中的每一个分别具有其自己的绝缘层104和116。该实施例的其余部分与上文关于图1所讨论的实施例相同。该实施例的双屏蔽电缆连同三个外部第一电线的横截面在图4中示出。在该实施例中，为了易于讨论，三个第二电线118再次包括初级绕组，并且三个第一电线102包括次级绕组。初级绕组的每一匝是第二电线118。因此，初级绕组的三匝（三个第二电线118）完全被围绕在内绕组屏蔽114（也被称为初级绕组屏蔽）和外绕组屏蔽110（也被称为次级绕组屏蔽）内。

图3中的变压器的配置提供了在初级绕组和次级绕组之间的耦合仅发生在初级绕组屏蔽和次级绕组屏蔽之间。再次，在初级和次级绕组之间不存在直接耦合，并且初级绕组的电压摆动仅耦合于初级绕组屏蔽，并且次级绕组的电压摆动仅耦合于次级绕组屏蔽。

在图5中示出另一实施例。在该实施例中，使用单个三同轴电缆环绕磁芯106来构建隔离变压器300。三同轴电缆缠绕在磁芯106周围单次。隔离变压器300具有两个隔离的次级绕组。三同轴电缆包括导体202、编织套204和另一编织套206。该配置可以在图6中的三同轴电缆的横截面中看见。此外，如图5中所示，这些层中的每一个在其之间包括绝缘层208和212，其中最终绝缘层210在外部。三同轴电缆的每个导体（包括导体202）以及编织套204和206可以是绕组屏蔽和变压器的独立绕组。因此，隔离变压器300例如能够具有初级绕组（导体202）和两个次级绕组（编织套204和206，本文分别被称为第一次级绕组和第二次级绕组）。在该实施例中没有电线在三同轴电缆外部。然而，两个编织套204和206仍然也分别充当初级和次级绕组屏蔽。如本领域普通技术人员将容易理解的，导体202可以是次级绕组，并且两个编织套204和206可以是两个初级绕组。

导体202的初级绕组和编织套206的次级绕组二者由于编织套204而是独立的。第二次级绕组、编织套206没有到初级绕组、导体202的直接耦合。再次，在该实施例中，在编织套204和导体206之间将存在电容。然而，该电容不被充电或放电。

在对该实施例的可替换方案中（未示出），外部电线可以被提供在三同轴电缆外部，从而为初级绕组提供更多匝，与图1和3中示出的类似。初级绕组的这些外部电线由于编织套206仍将从导体202屏蔽。

在对该实施例的另一可替换方案中，同轴电缆可以被使用，代替三同轴电缆。在该配置中，同轴电缆的内导体将会充当第二绕组屏蔽和第二绕组这两者。外导体将会充当第一绕组屏蔽和第一绕组这两者。

在另一实施例中，图5中示出的三同轴电缆可以缠绕在磁芯106周围两次，如图7中所示。因此，每个初级绕组和两个次级绕组在隔离变压器400中具有两匝。如能在图7中所见，在三个点处的编织套206周围移除绝缘层210。编织套206充当初级绕组，并且在这三个点处被焊接到焊接点120。最终，如图5中，第一次级绕组（编织套204）和第二次级绕组（导体202）也在焊接点120处被焊接到电路板。

在图8和9中示出的另一实施例中，示出使用并行缠绕在磁芯周围的两个三同轴电缆的隔离变压器。一个三同轴电缆被放置在电路板顶部，并且另一个三同轴电缆被放置在电路板底部。为了容易，三同轴电缆被称为顶部电缆和底部电缆。两个电缆缠绕在磁芯106周围。此外，四个电线被提供在三同轴电缆外部。两个电线302（本文中被称为顶部电线）被提供在电路板顶部，并且两个电线304（本文中被称为底部电线）被提供在电路板底部。在图8中示出对于此类配置的电路图。在图9中示出在电路板顶侧的隔离变压器500。在电路板底侧的隔离变压器将会包含与图9中所示出的相同的配置。

如能在图8的电路图中所见，初级绕组由四匝构成，包括底部导体306、顶部内绕组屏蔽308、底部内绕组屏蔽310和顶部导体312。次级绕组包括六匝，包括第二顶部电线302、第一顶部电线302、顶部外绕组屏蔽314、底部外绕组屏蔽316、第一底部电线304和第二底部电线304。初级绕组的底部导体306和顶部导体312各自连接到MOSFET开关318。顶部内绕组屏蔽308和底部内绕组屏蔽310二者都连接到初级地（接地（earth ground））320。在次级绕组中，顶部外绕组屏蔽314和底部外绕组屏蔽316连接到次级浮动地322。在图9中示出这些部件中的每一个。此外，示出焊接点120和绝缘层324。在该配置中，内绕组屏蔽308和310以及外绕组屏蔽314和316充当绕组屏蔽和绕组的匝二者，如上文关于图4讨论的。

在对该实施例的可替换方案中，多于两个的变压器能够并行缠绕在磁芯106周围。此外，在对该实施例的另一个可替换方案中，同轴电缆可以被使用，代替三同轴电缆。

上文在各种实施例中描述的隔离变压器中的每一个（其中初级绕组和次级绕组不具有直接耦合）已经提供了比先前使用的隔离变压器更低的跨隔离势垒的噪声大小。

在这些实施例中的每一个中，磁芯106可以是例如铁氧体（ferrite）。然而，可以使用本领域已知的任何类型的磁芯。此外，三同轴电缆和双屏蔽电缆的编织套应当是最高质量的。如果编织套不是最高质量的，则初级绕组和次级绕组可能能够通过绕组屏蔽而直接耦合并提供电噪声。编织套的质量越好，通过隔离变压器所提供的电噪声越小。

已经在其优选实施例中描述并图示了公开的技术的原理，应当显而易见的是，在不脱离此类原理的情况下可以在布置和细节上修改所公开的技术。我们要求保护在下述权利要求的精神和范围内的所有修改和变型。

Claims (14)

1.一种隔离的DC到DC开关电源，包括：

隔离功率变压器，其包括：

磁芯；

环绕磁芯的第一绕组；

环绕磁芯的第一绕组屏蔽；

第一绕组屏蔽内的第二绕组屏蔽；以及

第二绕组屏蔽内的第二绕组;

以便第一绕组静电地耦合到第一静电绕组屏蔽以及第二绕组静电地耦合到第二静电绕组屏蔽，以便在第一静电绕组屏蔽和第二静电绕组屏蔽之间没有电荷流。

2.根据权利要求1所述的隔离的DC到DC开关电源，其中所述隔离功率变压器此外包括双屏蔽电缆，其包括作为双屏蔽电缆的外导体的第一绕组屏蔽、作为双屏蔽电缆的内导体的第二绕组屏蔽、以及作为双屏蔽电缆的中心导体的第二绕组，并且所述第一绕组是在双绕组屏蔽电缆外部的电线。

3.根据权利要求1所述的隔离的DC到DC开关电源，其中所述第一绕组屏蔽是第一绕组的一部分以及第一绕组屏蔽。

4.根据权利要求2所述的隔离的DC到DC开关电源，其中所述第一绕组屏蔽是第一绕组的一部分以及第一绕组屏蔽。

5.根据权利要求1所述的隔离的DC到DC开关电源，其中所述第一绕组屏蔽是第一绕组的全部以及第一绕组屏蔽。

6.根据权利要求2所述的隔离的DC到DC开关电源，其中所述第一绕组屏蔽是第一绕组的全部以及第一绕组屏蔽。

7.根据权利要求1所述的隔离的DC到DC开关电源，其中所述第二绕组屏蔽是第二绕组的部分以及第二绕组屏蔽。

8.根据权利要求2所述的隔离的DC到DC开关电源，其中所述第二绕组屏蔽是第二绕组的部分以及第二绕组屏蔽。

9.根据权利要求1所述的隔离的DC到DC开关电源，其中所述第二绕组屏蔽是第二绕组的全部以及第二绕组屏蔽。

10.根据权利要求2所述的隔离的DC到DC开关电源，其中所述第二绕组屏蔽是第二绕组的全部以及第二绕组屏蔽。

11.根据权利要求1所述的隔离的DC到DC开关电源，其中所述隔离功率变压器此外包括同轴电缆，其包括作为同轴电缆的外导体的第一绕组屏蔽，并且中心导体是第二绕组屏蔽以及第二绕组，所述第一绕组是在同轴电缆外部的电线。

12.根据权利要求1所述的隔离的DC到DC开关电源，其中所述隔离功率变压器此外包括同轴电缆，其中所述同轴电缆的外导体是第一绕组以及第一绕组屏蔽，并且中心导体是第二绕组屏蔽以及第二绕组。

13.根据权利要求2所述的隔离的DC到DC开关电源，其中多个双屏蔽电缆并行缠绕通过磁芯并连接在一起以创建第一绕组屏蔽、第二绕组屏蔽和第二绕组。

14.根据权利要求11所述的隔离的DC到DC开关电源，其中多个同轴电缆并行缠绕通过磁芯并连接在一起以创建第一绕组屏蔽、第二绕组屏蔽和第二绕组。