CN107005147B - 具有紧凑型emi滤波器的电源接口模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由来自电源的电力来供电的电子电路的电源接口模块，以及包括该电源接口模块的用于电子电路的电力供应设置。模块包括：承载组件的第一电路板（22），第一电路板（22）包括多个堆叠电路板层以及至少两个开口（32，34，36，37），滤波器的至少部分包括至少一对磁耦合感应线圈，具有两个芯柱的芯，每个芯柱延伸穿过电路板（22）中对应的开口（32，34），其中，每个线圈缠绕对应的芯柱，线圈的匝绕延伸穿过电路板层，上外层和下外层之间的每一层包括一个匝绕的至少部分（24，26，28，30）。

Description

具有紧凑型EMI滤波器的电源接口模块

技术领域

本发明大体涉及与电力供应相关的滤波。更具体来说，本发明涉及由来自电源的电力来供电的电子电路的电源接口模块，以及涉及包括该电源接口模块的电子电路的电力供应设置。

背景技术

在多种情景中需要电磁干扰（EMI）滤波器，诸如涉及类似在电路板或电路接触片上电子电路的电子电路的电力供应例如用于对电信或数据通信电路供电的情景中。

这样的板或者接触片则典型地由系统电压供电，例如48V DC。由此，板或者接触片可能还需要对其电力输入进行EMI滤波以便通过传导发射要求。传导发射可能例如根据CISPR 22或者某种相似标准来测量。对板或接触片的要求能够根据用于企业级产品的A类或者用于消费级产品的B类或者任何其它由系统设计方所决定的等级。所需滤波的噪声则典型地起源于一个或多个DC/DC转换器。

EMI滤波器能够作为离散设计或者以包含滤波器的模块形式来实现。

然而，存在一个问题：板或接触片的电力消耗增加以及EMI滤波器尺寸随着增加。但是板的空间和组装高度是受限的。因此如果电力水平能够增加而无需更多用于EMI滤波器的板空间，这样将会是有利的。

此外，在这些滤波器中使用一对磁耦合线圈作为共模扼流圈来操作。实现这些线圈的传统方法是通过环形扼流圈。

然而，当电流超过10A时，共用可用环形扼流圈相比其它在板或接触片上的电路增长较大。

为了减少EMI滤波器的尺寸，调查研究已经朝向使绕组平面化的方向来进行。

本领域的一篇文件US 2008/0309431，涉及EMI滤波器，包括一对相反无芯螺旋平面绕组和平面电容器，以便将共模和差分模式滤波器集成在集成平面结构之中。

描述EMI滤波器中的平面绕组的另一个文件是由Rengang Chen, J.D.van Wyk,S. Wang 和W.G.Odendaal所编著的“Planar Electromagnetic IntegrationTechnologies for Integrated EMI Filters”，第38次IAS年度会议，工业应用会议的会议记录，2003，2003年十月，第1582页至1588页，第三卷。

然而，仍然存在需要进一步措施以允许进一步的改善和尺寸减少。

发明内容

因此本发明的一个目标是提供具有小尺寸的滤波器的电源接口模块。

该目标是根据由来自电源的电力来供电的电子电路的电源接口模块所实现的第一方面。电源接口模块包括：

承载组件的第一电路板，第一电路板包括多个堆叠的电路板层以及至少两个开口，

包括至少一对磁耦合感应线圈的滤波器的至少部分，以及

具有两个芯柱的芯，每个芯柱延伸穿过电路板中对应的开口。

每个线圈缠绕对应的芯柱，

线圈的匝绕（turn）延伸穿过电路板层，以及

上外层和下外层之间的每层包括一个匝绕的至少部分。

另一方面关注有电子电路的电力供应设置，电力供应设置包括根据第一方面的电源接口模块和电子电路的至少一个电力供应单元。

本发明根据上文所述的方面具有多个优势。本发明通过使用足够小的芯用于具有所需数量的匝绕的线圈的共模线圈而减少电源接口模块的尺寸，以及然后典型地减少高度。

根据第一变型，通过两层提供线圈整个匝绕。根据第二变型，通过一层提供线圈的整个匝绕。

根据第三变型，两个柱通过上轭部和下轭部互连，包括翼部的每个轭部在远离两个柱的方向延伸出去。该情况下，每个柱可具有延伸穿过中心的中心纵轴线以及每个具有翼部的轭部具有与两个柱轴线相垂直的中心纵轴线。这一点结合将芯柱分成两个使得具有增加漏电电感的优势，其改善差分模式滤波。

根据另一个变型，每个柱分成两半，其中每一半具有与另一个接口面相邻接的接口面。这样简化电路板上芯的安装。

根据另一个变型，接口面被抛光。这样改善在芯柱中的磁通量。

接口面可使用零缝隙胶而相互接合。备选地，可用夹具使接口面相互接合。这两种方法的好处在于在接口面之间没有物质添加。

每个柱还具有椭圆形（oblong）横截面，其相比于圆形形状提供更经济的电路板设计。

滤波器的至少一个电容器可进一步安装在第一电路板上，以及优选地在电路板的包括线圈的区域上。这进一步改善模块的紧凑性。

滤波器可连接至用于供电至电子电路的电力供应单元以及可额外地包括通过一组导体连接至第一电路板的第二电路板。该情况下，第一电路板可包括电源和电力供应单元之间的主电力链。

在第一电路板上的组件可包括输入“或”（OR'ing）、热插拔、有源保持（activehold-up）、管理电力和控制组件中的一个或多个。

此外，电力管理的第一级可提供在第二电路板上，而电力管理的第二级可提供在第一电路板上。

第二电路板可进而包括信令和辅助电力供应组件。

线圈可优选是共模扼流圈以及滤波器，滤波器用于过滤电磁干扰。

第一电路板可以是除主电路板之外所提供的辅助电路板，主电路板包括被供电的电子电路。备选地，第一电路板可以是这样的主电路板。

需要强调的是，当术语“包括”使用在说明书中时用于指定规定的特征或者组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、组件及其组的存在或者添加。

附图说明

本发明现将关于所包含的附图以更多细节来描述，其中：

图1示意性示出电路板或者电路接触片的电力供应设置，其包括EMI滤波器、各种转换器，以及连接至负载，

图2示出示例性EMI滤波器的电路图，

图3示出包括EMI滤波器的电源接口模块的电路板的平面图，

图4示出EMI滤波器两个线圈的芯的透视图，

图5示出EMI滤波器两个线圈的芯的侧视图，以及

图6示出当其提供有两个以通信方式互连的电路板以及适配用于将电路板的其中一个折叠在另一个上时的电源接口模块。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释和非限制的目的，提出具体细节诸如特定的架构、接口、技术等等，以便提供本发明透彻的理解。然而，将对本领域技术人员显而易见的是，本发明可实践在偏离这些具体细节的其它实施例中。在其它实例中，众所周知的装置、电路以及方法的具体描述可以省略以便不以不必要的细节来混淆本发明的描述。

图1示意性示出电力供应设置10，其可提供用于对电子电路诸如提供在例如与数据通信或者电信相关的电路板或电路接触片上的电子电路供电。

电力供应设置10在这里由中间总线架构（IBA）电力供应的非限制示例所示例化，其可从输入电源通过两级电压转换设置来提供多个严格调节的电压。IBA电力供应设置仅仅是其中本发明的方面可被实现的多个不同类型电力供应设置中的其中一个示例。

如上所述，示例性IBA电力供应设置10是两级电力分配网络。因此，它包括通过电磁干扰（EMI）滤波器14连接至输入电力总线16的第一级DC/DC转换器12。输入电力总线16典型地是提供介乎36-75V、18-36V或者18-60V之间的电压V_DCH的电源。第一级DC/DC转换器12通过中间电压总线（IVB）连接至多（K）个第二级DC/DC转换器18-1至18-K的输入。

第一级DC/DC转换器12，通常称为中间总线转换器（IBC），可以是隔离的DC/DC转换器。具有这样的第一级DC/DC转换器12的IBA电力供应具有对于制造更有效率以及成本更有效的优势，其原因是从输入电力总线的隔离，该输入电力总线一般要求使用在单个转换器提供的包含变压器的相对成本较高的组件。自然地，IBC12可以备选地从输入电力总线16是非隔离的。IBC12可以以切换模式电力供应（SMPS）的形式来实现，其可全面调节或者线路调节成将输入电力总线电压V_DCH转换至在IVB上较低的中间总线电压 V_IB。 在图1的示例中，多个第二级DC/DC转换器18-1至18-K中的每个可以是通常称为负载点（POL）转换器或调节器的非隔离降压调节器（buck regulator）。一般而言，第二级DC/DC转换器的每个可以是隔离或非隔离的。然而，在IBC12提供隔离的情况下，不要求POL调节器也要被隔离。第二级DC/DC转换器可采取SMPS或者非切换线性调节的低压降（LDO）调节器的形式。每个POL（k）将调节电压Vout_k传送至其负载20-k，其中负载可包括电路板或电路接触片的电子电路中的一个或多个。在图1的示例中，POL调节器18-1和18-2将电力传送至共用负载20-1（但是自然地，多于两个POL调节器可将电力传送至共用负载）。

IBC12在这里是用于供电至电路板或者电路接触片上的电子电路也就是负载的电力供应单元。

必须要强调，电力供应设置仅仅是示例性设置。其它类型的设置，例如连接至AC源的设置可同样地也考虑用于与滤波器组合。

然而，与电力供应设置是如何实现无关，它总是包括EMI滤波器14以便满足对电路板或者电路接触片施加的某些发射要求。

图2示出示例性EMI滤波器12的电路图。

EMI滤波器可包括具有第一和第二连接端子的输入端口，以及跨输入端口（也就是在两个输入端子之间），连接有第一差分模式电容器Cx1。在两个输入端子之间有第一和第二共模电容器Cy1和Cy2的串联连接，其中在共模电容器Cy1和Cy2之间的接点（joint）或中点连接至第一接地点Gnd1。输入端口第一连接端子还通过第一上导体连接至输出端口的第一输出端子，以及输入端口的第二连接端子通过第二下导体连接至输出端口的第二输出端子。在上导体中有第一感应共模线圈Lcm1 以及在下导体中有第二感应共模线圈Lcm2。两个共模线圈Lcm1和Lcm2在这里通过磁芯（例如铁芯）相互磁耦合。在两个共模线圈Lcm1和Lcm2之后跟随有连接在第一上导体和第二下导体之间的第二差分模式电容器Cx2。在第二差分模式电容器Cx2之后跟随有两个导体之间的第三和第四共模电容器Cy3和Cy4的串联连接，其中同样这里两个电容器之间的中点或者接点连接至第二接地点Gnd2。这两个接地点可因此与彼此分开。作为备选，可能使用共用接地点。其后跟随有第一上导体中的第三感应共模线圈 Lcm3 ，以及第二下导体中第四感应共模线圈 Lcm4。同样这里两个共模线圈Lcm3和Lcm4通过磁芯（例如铁芯）相互磁耦合。其后跟随有连接在两个导体之间的第三差分模式电容器Cx3。最终第一上导体连接至输出端口的第一连接端子，以及第二下导体连接至输出端口的第二连接端子。

这里应该了解的是能够改变滤波器。可以能够省去差分模式电容器。还能够在上导体和下导体中添加差分模式线圈。还能够省去第三和第四共模线圈Lcm3和Lcm4以及对应的电容器Cy3和Cy4。还应该了解的是能够添加更多组件至滤波器。这样的额外的组件还能提供在IBC12的附近。还能够改变滤波器中组件的位置。

根据一些变型，共模线圈还与对应的芯共同使用以提供差分模式电感。在该情况中的差分模式电感通过漏电电感的使用所获得。

如先前所述，包括组件的用于电信或数据通信的电路板或者电路接触片在很多情况中确实变得越来越复杂，以及具有包括越来越多功能的要求。这从而导致EMI滤波器必须具有更大的组件。此外，与滤波器或者电力供应相关联的各种功能，诸如与DC/DC转换相关联的功能，典型地提供为在一个或多个辅助电路板上的电力供应接口模块，其中电力供应接口模块是提供为对于电源的接口的模块，该电源在上述示例中提供电压V_DCH。

传统地，共模线圈通过缠绕环状芯的多个铜制匝绕来提供。然而，在许多情况中这是过多占用空间的实现。

为了减少尺寸以及然后典型地减少该模块高度，如果至少一些滤波器组件（诸如线圈）可制成电力供应接口模块的辅助电路板的一部分，这会是有利的。这样的辅助电路板可提供用于各种转换器功能，诸如用于与DC/DC转换器（诸如IBC12）相关联的各种功能。然而，当这实现时，仍然存在问题：如何提供用于共模线圈连同提供线圈的所需数量的匝绕的所需要的足够小的芯。

获取这样小尺寸的实现是一个挑战。因此需要更进一步减少滤波器的尺寸。

如上所述，滤波器是电力供应接口模块的部分，该模块还包括上述的辅助电路板和可选地还包括一些与IBC12和电源的交互相关联的功能。

图3示出从电源接口模块的第一辅助电路板22上的平面视图。第一辅助电路板22（包括多个层，诸如十个或十二个堆叠在彼此上的层）包括多个垫或位点（spot），其中组件可以安装在其上，以及互连这样位点的导体迹线。图中示意性指明两个这样的位点38和39。然而，第一电路板22还包括电传导物质（诸如铜）的多个平面环，其中每个环环绕第一电路板22中对应的通孔。图3示例中有四个这样的平面环24、26、28以及30。存在在第一电路板22边缘的第一环24以及与第一环24相邻的第二环26。第一环24环绕第一通孔32，而第二环26环绕第二通孔34。还有第三环28和第四环30，彼此之间相邻，其中第三环29环绕第三通孔36，而第四环30环绕第四通孔38。此外，以该方式所示的环是在电路板22上外层的紧接下一层中的环。在该次末层和下最外层之间的层还包括与次末层中的这些环对准的相同形状的环。以该方式，提供有穿过电路板层堆叠在彼此上以及彼此对准的多个环。

此外，第一环24是第一共模线圈Lcm1的部分以及第二环26是滤波器的第二共模线圈Lcm2 的部分，或者反之亦然。在包括第一环26的堆叠中一个或多个环可因此包括第一差分模式线圈，以及在包括第二环26的堆叠中一个或多个环可包括第二差分模式线圈。堆叠中的环因此例如通过通孔的使用而相互电连接，以便形成线圈的多个匝绕。第三和第四环28和30以相似的方式提供第三和第四共模线圈Lcm3和Lcm4。

这意味环的堆叠中的每个环组成线圈的匝绕的至少部分。有可能一个环自身形成一匝绕。也有可能在两个或多个层中（例如在两个或多个相邻层中）的两个或多个环形成线圈的一匝绕。如果例如有十二层，则有可能通过环提供线圈的五个匝绕。但不同地，线圈的匝绕延伸穿过电路板层，以及上外层和下外层之间每层包括一个匝绕的至少部分，其中整个匝绕可通过两层或通过一层来提供。共模线圈的匝绕还可放置在若干层中以满足所需数目的匝绕和足够的铜厚度来承载电流。

在第一和第二环上的组件位点38和39在这里提供用于滤波器的共模电容器Cy1、Cy2、Cy3和Cy4。滤波器因此包括安装在第一电路板22上的至少一个电容器，该电容器安装在电路板的包括线圈的区域上。第一和第二共模和差分模式电容器可优选地安装在第一和/或第二线圈上，而第三和第四共模和差分模式电容器可安装在第三和第四线圈上。共模和差分模式电容器还可以表面安装和装配在电路板的两侧上。

由此可见，由线圈环绕的孔具有椭圆形状。孔具有适配成收容对应的芯柱的形状，其中具有两个柱的一个芯提供用于第一和第二共模线圈，以及具有两个柱的另一个芯提供用于第三和第四共模线圈。

图4示出实现芯以用于第一和第二共模线圈的一种方式的透视图，以及图5是同一个芯的侧视图。

如之前所述，芯40包括第一和第二柱42和44，每个具有与孔的形状相同形状的横截面，其中每个芯柱应该延伸穿过电路板中对应的开口，以便对应的线圈缠绕它。每个线圈因此缠绕对应的芯柱。因此能够看见的是，芯柱横截面也是椭圆形。此外，每个柱与上轭部和下轭部46和48相接合，其中下轭部48搁置在电路板的背侧上，以及上轭部46搁置在电路板的前侧上。因此两个柱通过上轭部和下轭部46和48互连。每个柱42和44还具有中心纵轴线以及每个轭部46和48具有与两个柱轴线相垂直的中心纵轴线。

可见，第一和第二轭部46和48与第二柱44相对准。它们因此与第二柱远离第一柱的方向的一侧相对准。然而在第一柱42的区域中，每个提供有翼部50和52，其从第一柱42在例如垂直远离柱42和44的方向的一侧向外以及沿轭部的纵轴线延伸出去。通过以该方式提供两个柱来代替一个柱以及添加翼部，能够增加漏电电感。共模扼流圈的漏电电感提供差分模式滤波，其在EMI滤波器中是有利的。

翼部因此提供差分模式漏电电感，其作为滤波器的部分来使用。这等同于缠绕这样的芯的每个共模线圈与对应的差分模式电感相串联。

此外，为了能够将芯安装在第一电路板22上，两个柱分成两半42A、42B、44A以及44B。由此每个芯柱半部42A、42B、44A以及44B将具有用于与另一半的接口面相配合的接口面。

为了改善芯柱中的磁通量，这些面可被抛光并且为了将这些面彼此贴合同时保持良好磁通量，这些面可通过使用零缝隙胶将彼此接合。即使柱已经被分开，零缝隙胶将进入芯物质的裂缝以及将由此使这些面彼此接合而保持良好通量。作为零缝隙胶的替代物，可以通过使用夹具迫使芯的接口面彼此紧靠。

如先前所述，接口模块可包括执行更多涉及电路板或电路接触片的电力供应的功能的多个更多的组件。为该理由，可提供通过使用一或两组柔性导体连接至第一电路板的第二电路板。

图6示出接口模块62的透视图，其包括通过第一以及第二组导体56和60互连的两个这样的电路板22和56。包含多个导体的每组58和60，可以以可弯曲膜的形式来实现，其允许将电路板中的一个折叠在另一个顶部上。还可见的是，具有上轭部的两个芯40和54放置第一电路板上用于四个线圈。

图6中，第一电路板包括供应电压V_DCH的电源和电力供应单元12之间的主电力链。其可因此包括输入“或”、热插拔、有源保持、管理电力、监视和控制组件，以及PMBus通信。因此第二电路板56可包括信令和辅助电力供应组件。此外可能的是，电力管理的第一级提供在第二电路板上，而电力管理的第二级提供在第一电路板上。因此硬可弯曲缆线可以与电路板成一体，以及携带信号和辅助电力，但不是主电流。

本发明的实施例是紧凑型EMI滤波器，其包括具有集成平面共模线圈以及X和Y电容器的第一辅助电路板，例如印制电路板。电容器优选地表面安装和装配在电路板的两侧上。在共模线圈的绕组不存在于印制电路板的外层上的情况下，电容器能放置在绕组的顶部上。

在无需使用主电路板或电路接触片上的更多板空间的情况下，接口模块由此允许处理更多电力。

与表面安装的环形的解决方案比较，在模块上有效地使用更少的板空间。除此之外，有组装高度的降低。

此外，两个共模线圈缠绕磁芯的不同柱。与如果两个线圈将在电路板层中堆叠在彼此上的情况相比较，这允许匝绕的数量翻倍。因此芯的高度也能减少。具有在轭部上带有翼部的两个柱的磁芯的形状具有增加漏电电感的额外优势。椭圆形状的孔和芯柱横截面与圆形形状相比具有提供更经济的电路板设计的更多优势。

在上述描述中，电源接口模块描述为具有关于主电路板或者电路接触片所提供的辅助电路板的模块，例如在这样的主板或接触片上的单独模块。然而应该了解的是电力接口模块的第一电路板在某些变型中可能是这样的主电路板或电路接触片，在该情况中电力接口模块的各种要素也将提供在该主电路板或者电路接触片上。

虽然本发明关于现被认为是最实用和优选的实施例来描述，要理解的是本发明不限制于公开实施例，而相反，本发明意在覆盖多种修改和等同设置。因此本发明仅受以下权利要求所限制。

Claims (20)

1.一种用于由来自电源的电力所供电的电子电路的电源接口模块（62），所述电源接口模块（62）包括：

承载组件的第一电路板（22），所述第一电路板（22）包括多个堆叠的电路板层以及至少两个开口（32，34，36，37），

滤波器（14）的至少部分，其包括至少一对磁耦合感应线圈（Lcm1，Lcm2，Lcm3，Lcm4），

具有两个芯柱（42，44）的芯（40），每个芯柱延伸穿过所述电路板（22）中对应的开口（32，34），

其中，

每个线圈（Lcm1，Lcm2）缠绕对应的芯柱（42，44），

所述线圈的匝绕延伸穿过所述电路板层，以及

上外层和下外层之间的每层包括一个匝绕的至少部分（24，26，28，30），

其中所述两个柱通过上轭部和下轭部（46，48）互连，每个轭部包括在远离所述两个柱（42，44）的方向延伸出去的翼部（50，52）。

2.如权利要求1所述的电源接口模块，其中通过两层提供整个匝绕。

3.如权利要求1所述的电源接口模块，其中通过一层提供整个匝绕。

4.如权利要求1所述的电源接口模块，其中每个柱（42，44）具有延伸穿过中心的中心纵轴线以及每个带有翼部的轭部具有与所述两个柱轴线相垂直的中心纵轴线。

5.如先前权利要求中任一项所述的电源接口模块，其中每个柱分成两半（42A，42B，44A，44B），每半具有与另一个接口面相邻接的接口面。

6.如权利要求5所述的电源接口模块，其中所述接口面被抛光。

7.如权利要求5所述的电源接口模块，其中通过使用零缝隙胶使所述接口面相互接合。

8.如权利要求5所述的电源接口模块，其中通过使用夹具使所述接口面相互接合。

9.如权利要求1-4中任一项所述的电源接口模块，其中每个柱（42，44）具有椭圆形横截面。

10.如权利要求1-4中任一项所述的电源接口模块，所述滤波器（14）还包括安装在所述第一电路板（22）上的至少一个电容器（Cx1，Cx2，Cx3，Cy1，Cy2，Cy3，Cy4）。

11.如权利要求10所述的电源接口模块，其中所述电容器安装在所述电路板的包括线圈的区域（38，39）上。

12.如权利要求1-4中任一项所述的电源接口模块，其中所述滤波器（14）连接至用于供电至所述电子电路的电力供应单元（12）以及还包括通过一组导体（58，60）连接至所述第一电路板（22）的第二电路板（56），其中所述第一电路板（22）包括所述电源和所述电力供应单元（12）之间的主电力链。

13.如权利要求12所述的电源接口模块，其中在所述第一电路板上的所述组件包括输入“或”、热插拔、有源保持、管理电力和控制组件中的一个或多个。

14.如权利要求13所述的电源接口模块，其中电力管理的第一级提供在所述第二电路板上，且电力管理的第二级提供在所述第一电路板上。

15.如权利要求12所述的电源接口模块，其中所述第二电路板（56）包括信令和辅助电力供应组件。

16.如权利要求1-4中任一项所述的电源接口模块，其中所述线圈是共模扼流圈。

17.如权利要求1-4中任一项所述的电源接口模块，其中所述滤波器是用于过滤电磁干扰的滤波器。

18.如权利要求1-4中任一项所述的电源接口模块，其中所述第一电路板是除包括所述电子电路的主电路板之外所提供的辅助电路板。

19.如权利要求1-4中任一项所述的电源接口模块，其中所述第一电路板是包括所述电子电路的主电路板。

20.一种用于电子电路的电力供应设置（10），所述电力供应设置包括根据先前权利要求中任一项所述的电源接口模块（62）和用于所述电子电路的至少一个电力供应单元（12）。

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