CN105336475B - 开关电源、emi滤波器、共模电感器及其绕线的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种开关电源、EMI滤波器、共模电感器及其绕线的方法。该共模电感器绕线包括：一磁芯；两个多层线圈绕组，对称绕制在所述磁芯上；以及，两个隔离间隙，分别形成在每个所述多层线圈绕组中；每一所述隔离间隙用于将一多层线圈绕组从第一层开始分隔为两个绕线区域。相比于现有技术中，本公开可以在很大程度上提高共模电感器的EMI噪声抑制能力。

Description

开关电源、EMI滤波器、共模电感器及其绕线的方法
技术领域
本公开涉及电磁干扰抑制技术领域，具体涉及一种共模电感器、共模电感器绕线的方法、应用该共模电感器的EMI滤波器以及开关电源。
背景技术
开关电源是一种通过控制开关管导通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的电源。目前开关电源产品正在朝着小型化、高频化的方向发展，而这也导致开关电源产品的EMI(ElectroMagneticInterference电磁干扰)噪声越来越难以改善。共模电感器作为开关电源中抑制EMI噪声的主要元件之一，其自身特性对于EMI噪声抑制具有显著影响。
如图1中所示，为共模电感器的等效电路图。如图2中所示，为现有技术中为了提高共模电感器的EMI噪声抑制能力而提出的一种共模电感器的结构示意图；该共模电感器主要包括磁芯102以及在该磁芯上对称绕制两个多层线圈绕组101(图示中为双层线圈绕组)，而且，每个多层线圈绕组101中形成有一隔离间隙103，每一所述隔离间隙103用于将一多层线圈绕组101从第二层线圈绕组101B开始分隔为两个绕线区域。即第一层线圈绕组101A之中不会形成隔离间隙，而第二层线圈绕组101B之中会形成隔离间隙。
然而，发明人发现，该共模电感器抑制EMI噪声能力仍有待增强，不利于开关电源朝着小型化、高频化的方向发展。
发明内容
针对现有技术中的部分或者全部问题，本公开提供一种共模电感器，用于提供更高的EMI噪声抑制能力；进一步的，本公开还提供了一种共模电感器绕线的方法、应用该共模电感器的EMI滤波器以及开关电源。
本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的第一方面，一种共模电感器，包括：
一磁芯；
两个多层线圈绕组，对称绕制在所述磁芯上；以及，
两个隔离间隙，分别形成在每个所述多层线圈绕组中；每一所述隔离间隙用于将一多层线圈绕组从第一层开始分隔为两个绕线区域。
在本公开的一种实施方式中，所述隔离间隙是借助于一隔离挡片形成，所述隔离挡片位于所述两个绕线区域之间。
在本公开的一种实施方式中，所述隔离挡片的厚度依据所要形成的隔离间隙的大小而设定。
在本公开的一种实施方式中，所述隔离挡片的宽度为0.5mm-5mm。
在本公开的一种实施方式中，所述隔离间隙的宽度为0.5mm-5mm。
在本公开的一种实施方式中，所述磁芯为一闭合环形磁芯或者闭合多边形磁芯。
根据本公开的第二方面，一种共模电感器绕线的方法，所述共模电感器包括一第一多层线圈绕组和一第二多层线圈绕组，所述共模电感器绕线的方法包括：
设置两个隔离挡片于一磁芯的不同位置；
绕制所述第一多层线圈绕组于所述磁芯，所述第一多层线圈绕组被其中的一个隔离挡片分隔为两个绕线区域；
绕制所述第二多层线圈绕组于所述磁芯，所述第二多层线圈绕组被其中的另一个隔离挡片分隔为两个绕线区域，其中，所述第二多层线圈绕组与所述第一多层线圈绕组对称绕制。
在本公开的一种实施方式中，在所述磁芯上对称绕制两个多层线圈绕组之后还包括：
取下所述隔离挡片。
在本公开的一种实施方式中，所述隔离挡片具备磁性或者包含铁磁性材料；所述隔离挡片与所述磁芯之间存在磁吸引力。
在本公开的一种实施方式中，所述隔离挡片为非磁性材料，所述隔离挡片卡合或粘合至所述磁芯。
在本公开的一种实施方式中，所述隔离挡片呈“凵”形或呈“L”形。
在本公开的一种实施方式中，所述隔离挡片为一体式结构或者由若干个薄片结构堆叠组成。
在本公开的一种实施方式中，所述隔离挡片的厚度依据所要形成的隔离间隙的大小而设定。
在本公开的一种实施方式中，所述隔离间隙的宽度为0.5mm-5mm。
根据本公开的第三方面，一种EMI滤波器，电阻串/并联、电感器和电容组合成的抗电磁干扰滤波电路；所述电感器包括本公开第一方面的共模电感器。
根据本公开的第四方面，一种开关电源，包括本公开第一方面的共模电感器。
本公开的实施例所提供的共模电感器，主要通过在每个多层线圈绕组中形成一隔离间隙，进而利用每一所述隔离间隙将一多层线圈绕组从第一层开始分隔为两个绕线区域。经过发明人的实践验证表明，相比于现有技术中隔离间隙将多层线圈绕组从第二层线圈绕组开始分隔为两个绕线区域的技术方案，本公开可以在很大程度上提高共模电感器的EMI噪声抑制能力，从而为开关电源朝着小型化、高频化的方向发展提供了技术支持。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是共模电感器的等效电路图；
图2是现有技术中一种共模电感器的结构示意图；
图3是本公开示例实施方式中一种共模电感器的结构示意图；
图4是本公开示例实施方式中一种共模电感器绕线的方法的流程示意图；
图5是本公开示例实施方式中一种隔离挡片的结构示意图；
图6是图5中隔离挡片与磁芯结合后的结构示意图；
图7是图6中磁芯在绕线后的结构示意图；
图8是利用本公开中共模电感器绕线的方法制备的一种共模电感器的结构示意图。
附图标记说明：
101：多层线圈绕组
101A：第一层线圈绕组
101B：第二层线圈绕组
101X：第一多层线圈绕组
101Y：第二多层线圈绕组
1011：第一绕线区域
1012：第二绕线区域
102：磁芯
103：隔离间隙
104：隔离挡片
W：隔离挡片开口宽度
H：隔离挡片厚度
D：隔离间隙宽度
S101-S103：步骤
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。
现有技术中的开关电源产品正在朝着小型化的方向发展，这也导致了共模电感器中磁芯的直径不能太大。如图2中所示，由于受到磁芯102直径的限制，如果想要在磁芯102上以相同的层数，绕制更多匝数的线圈，则必须增加每一层的线圈匝数。在形成隔离间隙103时，一方面，其他层的线圈匝数对于第一层线圈绕组101A的线圈匝数有很大的依赖作用，为了绕制更多匝数的线圈，需要尽可能增加第一层线圈绕组101A的线圈匝数，而不会在第一层线圈绕组101A中形成隔离间隙；另一方面，考虑到即使在第一层线圈绕组101A中形成隔离间隙103，由于跨线造成的形变，在绕线过程中，其大小难以控制，可能造成产品特性不稳定。
本示例实施方式中，通过克服上述技术偏见，提供了一种共模电感器。如图3中所示，该共模电感器主要包括：一磁芯102，两个多层线圈绕组101(第一多层线圈绕组101X和第二多层线圈绕组101Y)，对称绕制在所述磁芯102上；以及，两个隔离间隙103，分别形成在每个所述多层线圈绕组101中；每一所述隔离间隙103用于将一多层线圈绕组101从第一层线圈绕组101A开始分隔为两个绕线区域。经过发明人的实践验证表明，相比于现有技术中隔离间隙将多层线圈绕组101从第二层线圈绕组101B开始分隔为两个绕线区域的技术方案，本公开可以在很大程度上提高共模电感器的EMI噪声抑制能力。其部分验证数据具体如下：
设计三组(A组、B组以及C组)不同的绕线方式，要求每组中使用的磁芯的阻抗无显著差异，每组样本数为10pcs(编号1-10)。选择熟练绕线员工一人，按表1中规格绕制3组样本。
表1
测试3组样本在输入信号频率为500KHz时的阻抗，得到表2中数据。
表2
编号 A组阻抗(KΩ) B组阻抗(KΩ) C组阻抗(KΩ)
1 39.9 46.4 50.7
2 37.4 48.6 52.6
3 33.3 42.6 47.8
4 35.2 42.1 48.2
5 35.8 51.3 46.6
6 28.7 52.7 54.1
7 34.4 46.4 51.8
8 30 45.3 49.4
9 30.6 45.6 48.1
10 40.6 49.2 51.7
最大值 40.6 52.7 54.1
最小值 28.7 42.1 46.6
平均值 34.59 47.02 50.1
测试3组样本在输入信号频率为800KHz时的阻抗，得到表3中数据。
表3
编号 A组阻抗(KΩ) B组阻抗(KΩ) C组阻抗(KΩ)
1 21 26.2 27.4
2 19.2 26.4 29.7
3 17.7 24 27.1
4 18.6 23.9 27.3
5 18.8 27.6 26.7
6 15.4 28.3 28.5
7 17.6 26.2 29.9
8 15.6 26.2 28.8
9 16.3 26.2 28.7
10 20.5 27.8 29.1
最大值 21 28.3 29.9
最小值 15.4 23.9 26.7
平均值 18.07 26.28 28.32
可以明显看出，相比于现有技术中隔离间隙将多层线圈绕组101从第二层线圈绕组101B开始分隔为两个绕线区域的技术方案(即B组样本)，本公开(即C组样本)可以在很大程度上提高共模电感器的EMI噪声抑制能力。
需要指出的是，虽然本示例实施方式中是以多层线圈绕组101为双层线圈绕组、隔离间隙宽度D为1mm、磁芯是闭合磁芯且为一闭合环形磁芯为例进行的说明；然而，发明人同样已经验证，在所述多层线圈绕组101为三层线圈绕组、四层线圈绕组或者更层线圈绕组，所述隔离间隙宽度D为2mm或者其他宽度(例如0.5mm-5mm内任意宽度)，所述磁芯为非闭合磁芯或者所述闭合磁芯为闭合多边形磁芯或者其他形状闭合磁芯时，隔离间隙103将多层线圈绕组101从第一层线圈绕组101A开始分隔为两个绕线区域的技术方案，均可在很大程度上提高共模电感器的EMI噪声抑制能力。
如前所述，如果想要通过现有技术中的绕线的方法实现上述的共模电感器结构，其一种最可能的方式是在绕制第一绕线区域1011之后，凭工作人员的经验，预留一隔离间隙，接着绕制第二绕线区域1012。然而，由于在绕线过程中，第一层线圈绕组中的线会垮下，因此预留的这一隔离间隙会随着绕线过程的进行而变形，导致隔离间隙的大小无法被控制，这样则会造成产品特性的不稳定。
因此，本示例实施方式中还提供了一种共模电感器绕线的方法。如图4中所示，该共模电感器绕线的方法主要包括：
步骤S101.设置两个隔离挡片于一磁芯的不同位置。
步骤S102.绕制所述第一多层线圈绕组101X于所述磁芯，所述第一多层线圈绕组101X被其中的一个隔离挡片分隔为两个绕线区域；绕制所述第二多层线圈绕组101Y于所述磁芯，所述第二多层线圈绕组101Y被其中的另一个隔离挡片分隔为两个绕线区域，其中，所述第二多层线圈绕组101Y与所述第一多层线圈绕组101X对称绕制。需要说明的是，本公开中对于第一多层线圈绕组101X和第二多层线圈绕组101Y的绕制顺序并与特殊限定。
除此之外，还可以包括：
步骤S103.取下所述隔离挡片。注意，也可以不取下所述隔离挡片，视实际情况而定。
下面结合图5-图8对上述各步骤加以详细说明。
图5为本示例实施方式中隔离挡片的结构示意图。如图5中所示，隔离挡片104呈“凵”形。隔离挡片开口宽度W与磁芯的厚度基本相同，这样隔离挡片104即可卡合在磁芯之上。如图6中所示，为所述隔离挡片104与所述磁芯102卡合后的结构示意图。需要指出的是，虽然图中磁芯102为一闭合环形磁芯，但是本公开并不以此为限，其也可以为闭合多边形磁芯(如矩形)或者其他各种形状的闭合磁芯102，也可为非闭合磁芯。
隔离挡片104的材质可以为有机材料或者合金材料等非磁性材料，其可以通过卡合或粘合方式连接至至所述磁芯102。另外，考虑到磁芯102为磁性材质，所以所述隔离挡片104也可以由磁性材料形成，即所述隔离挡片104具备磁性，当然，所述隔离挡片104也可以由铁磁性材料制备。因此，所述隔离挡片104与所述磁芯102之间会存在磁吸引力，从而可以利用该磁吸引力将所述隔离挡片104固定在磁芯102上。这样一来，所述隔离挡片104的形状则可以不局限于上述的“凵”形，其也可以为“L”形或者其他类似的形状，比如“U”形、“C”形或者燕尾形等等。例如，在隔离挡片厚度H较大时，由于与磁芯102的接触面积较大，受力更加充分，因此，可以选用L形；在隔离挡片厚度H较小时，则可以选用U形，利于卡合力和磁吸引力一起来固定隔离挡片104。
所述隔离挡片厚度H需要依据所要形成的隔离间隙的大小而设定，例如，可以设定隔离间隙的宽度为0.5mm～5mm。比如，所要形成的隔离间隙宽度D为1mm，则隔离挡片厚度H需要设定为1mm；所要形成的隔离间隙宽度D为2mm，则隔离挡片厚度H需要设定为2mm等等。
隔离挡片104可以为一体式结构，其厚度在成型时即确定；或者，为了方便调整所述隔离挡片厚度H，所述隔离挡片104也可以由若干个薄片结构堆叠组成。例如，每个所述薄片结构的厚度为0.5mm，则需要2mm隔离挡片104时，只需要选择4个这样的薄片结构堆叠在一起即可。这些薄片结构之间是连接方式可以是粘接，也可以是磁性连接，在此不作特殊限定。
在将隔离挡片104设置在磁芯102的预设位置之后，即可在磁芯102的两个半环上，分别绕制一个多层线圈绕组，而且这两个多层线圈绕组的层数、线径和绕制匝数均相同。如图7中所示，为绕线之后的结构示意图。可以看出，在绕线过程中，隔离挡片104可以维持隔离间隙的形状，使隔离间隙不会发生形变，且隔离间隙的大小可以通过选择隔离挡片104的厚度而被稳定控制。此外，在隔离挡片104的引导辅助下，绕线作业更加方便，有利于提升生产效率。
如图8中所示，在绕线完成后，则可以取下所述隔离挡片104，最终留下形状稳定且大小为预设大小的隔离间隙103，这样不但提高了共模电感器的EMI噪声抑制能力，并且得到的产品特性稳定。当然，在绕线完成后，所述隔离挡片104也可以不从磁芯102上取下，从而在所述共模电感器的使用过程中，进一步保证形成的隔离间隙103不会发生形变，增加产品性能的可靠性。
在本示例实施方式中，还提供了一种EMI滤波器。该EMI滤波器包括电阻串/并联、电感器和电容组合成的抗电磁干扰滤波电路；所述电感器包括上述的共模电感器。由于上述的共模电感器具备更强的EMI噪声抑制能力，因此可以为EMI滤波器提供更好的EMI抑制能力，从而可以减少对其他EMI抑制元件的依赖(例如能够减少集成后的滤波电路的电容数量和降低电容量)，使EMI滤波器的结构设计更简洁，节省了空间占用以及生产成本，有利于EMI滤波器朝小型化、高频化的方向发展。
在本示例实施方式中，还提供了一种开关电源。该开关电源可以为任何通过控制开关管导通和关断实现的电源，例如可以为UPS(Uninterruptible Power System，不间断电源)、通信电源、焊机电源等等。其与现有技术的最大区别之一在于包括上述的共模电感器。由于上述的共模电感器具备更强的EMI噪声抑制能力，因此可以为开关电源提供更好的EMI抑制能力，从而可以减少对其他EMI抑制元件的依赖(例如能够减少集成后的开关电源的电容数量和降低电容量)，使开关电源的结构设计更简洁，节省了空间占用以及生产成本，有利于开关电源朝小型化、高频化的方向发展。
本公开已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反地，在不脱离本公开的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本公开的专利保护范围。

Claims (13)

1.一种共模电感器，其特征在于，包括：
一磁芯；
两个多层线圈绕组，直接对称绕制在所述磁芯上；以及，
两个隔离间隙，分别形成在每个所述多层线圈绕组中；每一所述隔离间隙用于将一多层线圈绕组从第一层开始分隔为两个绕线区域；
所述隔离间隙是借助于一隔离挡片形成，所述隔离挡片位于所述两个绕线区域之间；
所述隔离挡片具备磁性或者包含铁磁性材料；所述隔离挡片与所述磁芯之间存在磁吸引力，且所述隔离挡片是可取下的。
2.根据权利要求1所述的共模电感器，其特征在于，所述隔离挡片的厚度依据所要形成的隔离间隙的大小而设定。
3.根据权利要求2所述的共模电感器，其特征在于，所述隔离挡片的宽度为0.5mm-5mm。
4.根据权利要求1所述的共模电感器，其特征在于，所述隔离间隙的宽度为0.5mm-5mm。
5.根据权利要求1所述的共模电感器，其特征在于，所述磁芯为一闭合环形磁芯或者闭合多边形磁芯。
6.一种共模电感器绕线的方法，所述共模电感器包括一第一多层线圈绕组和一第二多层线圈绕组，其特征在于，包括：
设置两个隔离挡片于一磁芯的不同位置；所述隔离挡片具备磁性或者包含铁磁性材料；所述隔离挡片与所述磁芯之间存在磁吸引力，且所述隔离挡片是可取下的；
绕制所述第一多层线圈绕组于所述磁芯，所述第一多层线圈绕组被其中的一个隔离挡片分隔为两个绕线区域；
绕制所述第二多层线圈绕组于所述磁芯，所述第二多层线圈绕组被其中的另一个隔离挡片分隔为两个绕线区域，其中，所述第二多层线圈绕组与所述第一多层线圈绕组对称绕制。
7.根据权利要求6所述的共模电感器绕线的方法，其特征在于，在所述磁芯上对称绕制两个多层线圈绕组之后还包括：
取下所述隔离挡片。
8.根据权利要求6所述的共模电感器绕线的方法，其特征在于，所述隔离挡片呈“凵”形或呈“L”形。
9.根据权利要求6所述的共模电感器绕线的方法，其特征在于，所述隔离挡片为一体式结构或者由若干个薄片结构堆叠组成。
10.根据权利要求6所述的共模电感器绕线的方法，其特征在于，所述隔离挡片的厚度依据所要形成的隔离间隙的大小而设定。
11.根据权利要求10所述的共模电感器绕线的方法，其特征在于，所述隔离间隙的宽度为0.5mm-5mm。
12.一种EMI滤波器，包括电阻串/并联、电感器和电容组合成的抗电磁干扰滤波电路；其特征在于，所述电感器包括根据权利要求1-5任意一项所述的共模电感器。
13.一种开关电源，其特征在于，包括根据权利要求1-5任意一项所述的共模电感器。
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