CN104518692A - 采集辐射性电磁干扰并利用其能量的切换式电源供应器 - Google Patents
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Abstract
本发明有关于一种采集辐射性EMI并利用其能量的切换式电源供应器，包括产生辐射性EMI的关键组件，及与所述关键组件产生的辐射性EMI的频段相对应的天线，天线贴附于所述关键组件上或埋设于所述关键组件内，天线的一端电连接整流器，整流器电连接储能电容器或可充电电池。本发明可简化抑制辐射性EMI的电路设计，降低成本，且可达成散逸能量的回收和再利用的节能目的。
Description
技术领域
本发明是有关于一种切换式电源供应器，且特别是有关于一种可抑制电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）的切换式电源供应器。
背景技术
请参见图1，图1是传统切换式电源供应器藉由X、Y电容器抑制EMI的电路示意图。切换式电源供应器包括桥式整流器、电源转换器、储能电容器C1和C2。切换式电源供应器藉由电源转换器中功率开关组件的快速切换，将每单位时间内预转换能量切割成若干等分进行处理后，再分别传送至输出端。如遇到输出过高或过低时，只需要调整每一等分中有效功率大小即可。当功率开关组件切换频率越高，表示每单位时间内切割越多等分，每一等分相对需要负担的功率越低，电源转换器中各组件上负担的能量越小，组件自然就可以使用较低规格。此外，电源转换器中变压器和电感器等磁性组件在磁场变化越快时其感应电压就越高，因此操作在越高频率下就可使用越短的导线产生所需电压，组件尺寸也就可以做得越小。
高频切换在切换式电源供应器中已经是必然的模式，若干等分能量在每次切割中，势必产生一定的损耗，这些损耗以热和噪声的形式表现出来。频率范围较低的噪声由导线传递至输入端电源的火线L和零线N，故称为传导性EMI，而频率范围较高的噪声则由辐射传递至空间中，故称为辐射性EMI。为了解决传导性和辐射性EMI，普遍的方式是藉由X电容器Cx1和Cx2以及共模扼流线圈L1和L2所构成的电路来滤除传导性EMI，并藉由Y电容器Cy1～Cy7将高频噪声排放至地端来减低辐射性EMI，地端泛指输入端电源的地线G、或是使用切换式电源供应器的电子产品中的大面积铁件，如铁制外壳或背板铁件。
Y电容器放置的位置取决于不同切换式电源供应器架构所产生的不同频段噪声，并根据噪声强弱以不同电容值所产生的容抗将对应频段的噪声排放至地端来减低辐射性EMI。这些Y电容器因将噪声排放至地端而会产生不同对地漏电流汇入地端。为了避免使用者在使用电子产品时发生触电的危险，不同国家有不同漏电流规范，故所允许装设的Y电容器电容值总量都不同，这表示如果要让电子产品销售于各国间，就需要以最严格的漏电流规范来设计Y电容器，造成在设计上有一定的难度。
请参见图2，图2的（a）和（b）是传统切换式电源供应器藉由两种缓振电路抑制辐射性EMI的电路示意图。对于高频噪声的抑制，除了藉由Y电容器将高频噪声排放至地端外，亦可藉由被动组件所构成的缓振电路连接到可能产生高频噪声的组件，以便将组件产生的高频能量转换为热散逸至空间中来减低辐射性EMI。例如，如图2的（a）所示，将由电阻器R1和电容器C3所构成的缓振电路并联连接到电源转换器中的功率开关组件──二极管D1。如图2的（b）所示，将由电容器C4所构成的缓振电路并联连接到电源转换器中的功率开关组件──功率晶体管Q1，但是电容器C4因功率晶体管Q1的缘故需要使用耐高压电容器，导致成本较高。此外，若要达到较好的缓振效果，缓振电路中需要使用较大电容值的电容器，以限制功率开关组件的电压和电流变化率，但是缓和的电压和电流变化率会使功率开关组件温度上升较快，需要使用耐高温功率开关组件或增大与其连接的散热器，导致成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种采集辐射性EMI并利用其能量的切换式电源供应器，可简化抑制辐射性EMI的电路设计，降低成本，同时还达到散逸能量的回收与再利用的节能效果。
为达到上述目的，本发明提出一种采集辐射性EMI并利用其能量的切换式电源供应器，其包括产生辐射性EMI的关键组件，其特征在于：其还包括与关键组件产生的辐射性EMI的频段相对应的天线，天线贴附于所述关键组件上或埋设于所述关键组件内，天线的一端电连接整流器，整流器电连接储能电容器或可充电电池。
在本发明一实施例中，所述关键组件包括变压器、功率开关组件或散热器。所述功率开关组件包括二极管、晶体管或可控硅整流器（thyristor）。
在本发明一实施例中，所述天线是呈城墙线形（rampart line）的微型化平面天线（miniaturized planar antennas）。
在本发明一实施例中，所述切换式电源供应器还包括电源转换器和所述电源转换器的控制芯片，所述控制芯片的供电端电连接所述储能电容器的第一端，所述储能电容器的第二端接地，所述储能电容器的第一端和第二端电连接辅助电源，所述整流器电连接第一二极管的阳极端，所述第一二极管的阴极端电连接所述储能电容器的第一端。
在本发明一实施例中，所述辅助电源包括位于变压器一次侧的辅助绕组和第二二极管，所述辅助绕组的第一端电连接所述第二二极管的阳极端，所述第二二极管的阴极端电连接所述储能电容器的第一端，所述辅助绕组的第二端接地。
在本发明一实施例中，所述切换式电源供应器适用于液晶显示器或液晶电视。所述天线贴附于所述液晶显示器或液晶电视的塑料外壳上或埋设于所述液晶显示器或液晶电视的塑料外壳内。
藉由上述技术手段，将不同频段的天线布设于切换式电源供应器中会产生辐射性EMI的关键组件（如变压器、功率开关组件或与所述功率开关组件连接的散热器）、或是布设于使用所述切换式电源供应器的电子产品（如液晶显示器或液晶电视）的塑料外壳，因此可将关键组件产生的固定频段辐射性EMI从空间中采集并转换成能量回存到储能电容器或可充电电池，以便供给切换式电源供应器或使用所述切换式电源供应器的电子产品利用，例如供电给切换式电源供应器中的控制芯片、或作为待机电源或紧急电源使用。所以，可简化抑制辐射性EMI的电路设计，降低成本，同时还达成散逸能量的回收与再利用的节能效果。
为让本发明上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是传统切换式电源供应器藉由X、Y电容器抑制EMI的电路示意图。
图2的（a）和（b）是传统切换式电源供应器藉由两种缓振电路抑制辐射性EMI的电路示意图。
图3的（a）是本发明切换式电源供应器中电源转换器的一种示意性实施方式的电路示意图，（b）是所述电源转换器中各关键组件间相关波形的波形图。
图4的（a）是本发明切换式电源供应器中变压器的一种示意性实施方式的侧视示意图，（b）是所述变压器的俯视示意图。
图5是本发明切换式电源供应器中电源转换器控制芯片的供电电路的一种示意性实施方式的电路示意图。
图6是本发明液晶显示器或液晶电视等电子产品的塑料外壳的一种示意性实施方式的正视示意图。
标号说明
11：绕线架
12：接脚
13：绝缘外壳
20：基材
21：天线
22：导线
23：整流器
60：塑料外壳
61：装配孔
C1、C2、C5：储能电容器
C3、C4：电容器
Cj、Coss：寄生电容器
Cx1、Cx2：X电容器
Cy1～Cy7：Y电容器
D1、D2、D3：二极管
L1、L2：共模扼流线圈
Q1：功率晶体管
R1、R2：电阻器
T1：变压器
Lp：一次侧绕组
Ls：二次侧绕组
La：辅助绕组
L：火线
N：零线
G：地线
Vd、Vg、Vq：电压
VCC：供电端
Ip：电流
f1～f6：频率
t：时间。
具体实施方式
在以下实施例中，相同或相似的组件标号代表相同或相似的组件。此外，以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向，因此使用的方向用语是用来说明的，而并非用来限制本发明。
请参见图3，图3的（a）是本发明切换式电源供应器中电源转换器的一种示意性实施方式的电路示意图，而图3的（b）是所述电源转换器中各关键组件间相关波形的波形图。本发明的切换式电源供应器可以使用如图1所示的架构，但其并非用来限制本发明，例如其架构还可以包括功率因数（power factor）修正器和另一组用于提供待机电源的电源转换器。如图3的（a）所示，在本实施方式中，切换式电源供应器中的电源转换器使用反激式（flyback）转换器，其包括产生辐射性EMI的关键组件，关键组件包括变压器T1和两功率开关组件──功率晶体管Q1和二极管D1，其中，变压器T1具有位于其一次侧的一次侧绕组Lp和位于其二次侧的二次侧绕组Ls。另外，电源转换器还包括控制芯片和电阻器R2，电阻器R2用于侦测电流Ip的大小并传送到控制芯片，使控制芯片可根据电流Ip的大小提供过电流保护。
如图3的（a）和（b）所示，当控制芯片输出电压Vg为高电平时，功率晶体管Q1导通，二极管D1截止，因此经储能电容器C1稳压的输入电源对一次侧绕组Lp充电（使电流Ip上升），同时还对变压器T1的一次侧漏电感器（未绘示）充电，而储能电容器C2则放电以供电给输出端负载。当控制芯片输出电压Vg为低电平时，功率晶体管Q1截止，二极管D1导通，因此一次侧绕组Lp放电（使电流Ip下降）而将储存的能量传送到二次侧绕组Ls，以提供输出端负载电流并对储能电容器C2充电，同时还对变压器T1的二次侧漏电感器（未绘示）充电。当功率晶体管Q1由导通变成截止时，变压器T1的一次侧漏电感器会与功率晶体管Q1的寄生电容器Coss共振，直到一次侧漏电感器在功率晶体管Q1导通时所储存的能量损耗掉为止，此共振现象会产生如电压Vq波形所示频率f1、f2、f3的高频噪声而产生辐射性EMI至空间中。当二极管D1由导通变成截止时，变压器T1的二次侧漏电感器会与二极管D1的寄生电容器Cj共振，直到二次侧漏电感器在二极管D1导通时所储存的能量损耗掉为止，此共振现象会产生如电压Vd波形所示频率f4、f5、f6的高频噪声而产生辐射性EMI至空间中。
在切换式电源供应器设计中，功率晶体管Q1的切换频率在选用控制芯片时已经决定，而变压器T1在绕制完成后也可量测到其一次侧和二次侧漏电感器电感值，再搭配选用已知寄生电容器Coss和Cj电容值的功率晶体管Q1和二极管D1，不难推算出切换式电源供应器上产生的辐射性EMI频段。当然，较佳的作法是使用频谱分析仪搭配可贴近待测组件的近场天线探头，或者使用示波器搭配可钩取待测组件接脚或线路的宽频探针，直接在切换式电源供应器实际电路中（尤其是针对关键组件）量测辐射性EMI发生源与其频段。然后，在这些量测到的辐射性EMI发生源，如变压器T1等关键组件上装设与辐射性EMI频段相对应的天线。当切换式电源供应器动作并产生辐射性EMI的同时，天线立即从空间中采集到其对应频段的辐射性EMI并转换成能量再利用，此时单位空间中辐射性EMI能量被最接近的天线吸收后，所剩下的能量等级就会变得非常低，因此在抑制辐射性EMI的电路设计上就能够大幅简化，降低成本。
请进一步参见图4，图4的（a）是本发明切换式电源供应器中变压器的一种示意性实施方式的侧视示意图，（b）是所述变压器的一种示意性实施方式的俯视示意图。以图3所示变压器T1为例，变压器T1一般设计包含有绕线架11以供一次侧绕组Lp和二次侧绕组Ls缠绕于其上。绕线架11两侧并排设置有接脚12，一次侧绕组Lp和二次侧绕组Ls的一端分别焊接于对应接脚12的一端，各接脚12的另一端则焊接或压接冲压固定于一电路板（未绘示）上。绕线架11上还组设有绝缘外壳13以供包覆和保护绕线架11上的一次侧绕组Lp和二次侧绕组Ls。在本示意性实施方式中，先根据推算或量测的变压器T1的辐射性EMI频段，在基材20的一面上印刷可接收这些辐射性EMI频段的天线21和导线22，并将整流器23以表面贴装技术（surface mount technology，SMT）等方式设置于基材20上，使得天线21的一端电连接整流器23，且整流器23藉由导线22电连接在一起；再在基材20的另一面上涂布粘胶，以便将其上设有天线21、导线22和整流器23的基材20贴附于变压器T1的绝缘外壳13上。在另一示意性实施方式中，可根据推算或量测的变压器T1的辐射性EMI频段，直接将可接收这些辐射性EMI频段的天线21、导线22和整流器23埋设于变压器T1的绝缘外壳13内。此外，在本示意性实施方式中，天线21使用呈城墙线形的微型化平面天线，天线21的长度对应其可接收信号的频段，在本图中仅以一种样式和接收频段的天线为例，但其并非用来限制本发明，也可使用其它样式的天线，不同样式的天线在接收信号上的效率不同。
请进一步参见图5，图5是本发明切换式电源供应器中电源转换器控制芯片的供电电路的一种示意性实施方式的电路示意图。以图3所示电源转换器为例，其中的变压器T1一次侧除绕制有一次侧绕组Lp外还绕制有辅助绕组La，而变压器T1结构如图4所示其绝缘外壳13上贴附设有天线21、导线22和整流器23的基材20。目前电源转换器控制芯片的供电通常都是由一组辅助电源配合储能电容器C5来提供。控制芯片的供电端VCC电连接储能电容器C5的第一端，储能电容器C5的第二端接地，储能电容器C5的第一端和第二端电连接辅助电源。辅助电源包括位于变压器T1一次侧的辅助绕组La和第二二极管D3，辅助绕组La的第一端电连接第二二极管D3的阳极端，第二二极管D3的阴极端电连接储能电容器C5的第一端因而也电连接控制芯片的供电端VCC，辅助绕组La的第二端接地，因此储能电容器C5的第一端和第二端分别电连接辅助电源中第二二极管D3的阴极端和辅助绕组La的第二端。辅助绕组La感应产生的电源经过第二二极管D3整流后产生直流电源储存到储能电容器C5以提供到控制芯片的供电端VCC。本发明将设置于变压器T1绝缘外壳13上的整流器23藉由导线22电连接第一二极管D2的阳极端，第一二极管D2的阴极端电连接储能电容器C5的第一端因而也电连接控制晶片的供电端VCC和第二二极管D3的阴极端。设置于变压器T1绝缘外壳13上的天线21接受的辐射性EMI并将其转换成时变的电信号，再藉由整流器23将时变的电信号整流成直流电信号而可将其有效值保留下来并储存到储能电容器C5以提供到控制芯片的供电端VCC，达成散逸能量的回收与再利用的节能效果。
上述实施例的切换式电源供应器中的电源转换器使用反激式转换器，反激式转换器使用的功率开关组件包括功率电晶体Q1和二极体D1，但并非用于限制本发明，例如：本发明电源转换器还可使用升压式、降压式、全桥式、半桥式或其它类型的电源转换器，而所使用的功率开关组件还可包括可控硅整流器或它类型的功率开关组件。另外，只要会产生辐射性EMI的组件都可以当作关键组件，并不仅限于上述实施例的变压器T1和功率开关组件（功率电晶体Q1和二极体D1），例如：本发明关键组件还可包括散热器，散热器的大面积金属片具有天线效应而会发射辐射性EMI。不过考虑到成本、回收效率等问题，通常只针对辐射性EMI能量较高的关键组件贴附或埋设天线。
此外，上述切换式电源供应器可适用于液晶显示器、液晶电视或其它电子产品，请参见图6，图6是本发明液晶显示器或液晶电视等电子产品的塑料外壳的一种示意性实施方式的正视示意图。此时可将不同频段的天线21、整流器23及电连接于天线21和整流器23间的导线22贴附于使用切换式电源供应器的电子产品的塑料外壳60上或埋设于其内。整流器23再藉由导线22连接塑料外壳60装配孔61周围，使得塑料外壳60藉由螺丝等金属物经过装配孔61锁附后，整流器23将藉由导线22和金属物电连接储能电容器或可充电电池。当切换式电源供应器动作并产生辐射性EMI的同时，天线21立即从空间中采集到其对应频段的辐射性EMI并经过整流器23整流而转换成能量回存到储能电容器或可充电电池，此时单位空间中辐射性EMI能量被最接近的天线吸收后，所剩下的能量等级就会变得非常低，因此在抑制辐射性EMI的电路设计上就能够大幅简化，降低成本，同时还达成散逸能量的回收与再利用的节能效果。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (8)
1.一种采集辐射性电磁干扰并利用其能量的切换式电源供应器，其包括产生辐射性电磁干扰的关键组件，其特征在于：其还包括与所述关键组件产生的辐射性电磁干扰的频段相对应的天线，所述天线贴附于所述关键组件上或埋设于所述关键组件内，所述天线的一端电连接整流器，所述整流器电连接储能电容器或可充电电池。
2.如权利要求1所述的采集辐射性电磁干扰并利用其能量的切换式电源供应器，其中，所述关键组件包括变压器、功率开关组件或散热器。
3.如权利要求2所述的采集辐射性电磁干扰并利用其能量的切换式电源供应器，其中，所述功率开关组件包括二极管、晶体管或可控硅整流器。
4.如权利要求1所述的采集辐射性电磁干扰并利用其能量的切换式电源供应器，其中，所述天线是呈城墙线形的微型化平面天线。
5.如权利要求1所述的采集辐射性电磁干扰并利用其能量的切换式电源供应器，其中，所述切换式电源供应器还包括电源转换器和所述电源转换器的控制芯片，所述控制芯片的供电端电连接所述储能电容器的第一端，所述储能电容器的第二端接地，所述储能电容器的第一端和第二端电连接辅助电源，所述整流器电连接第一二极管的阳极端，所述第一二极管的阴极端电连接所述储能电容器的第一端。
6.如权利要求5所述的采集辐射性电磁干扰并利用其能量的切换式电源供应器，其中，所述辅助电源包括位于变压器一次侧的辅助绕组和第二二极管，所述辅助绕组的第一端电连接所述第二二极管的阳极端，所述第二二极管的阴极端电连接所述储能电容器的第一端，所述辅助绕组的第二端接地。
7.如权利要求1所述的采集辐射性电磁干扰并利用其能量的切换式电源供应器，其中，所述切换式电源供应器适用于液晶显示器或液晶电视。
8.如权利要求7所述的采集辐射性电磁干扰并利用其能量的切换式电源供应器，其中，所述天线贴附于所述液晶显示器或液晶电视的塑料外壳上或埋设于所述液晶显示器或液晶电视的塑料外壳内。
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