CN110875688B - 用于降低共模噪声的电压转换器及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电压转换器以及电压转换方法。电压转换器包括变压器、一次侧转换电路、二次侧转换电路以及第一电容。变压器包括绕线轴、铁芯、初级线圈、次级线圈。初级线圈及次级线圈围绕于绕线轴上，且绕线轴包覆铁芯。第一电容依据第一电容的电容值提供共模噪声导通路径。
Description
技术领域
本发明涉及一种电压转换器以及电压转换方法，尤其涉及一种用于降低共模噪声的电压转换器及其方法。
背景技术
电压转换器已广泛应用于电子装置的电源供应。电子装置可以是手机、小型风扇、智能手表等低消耗功率负载，也可以是笔记本电脑、高亮度照明装置等高消耗功率负载。一般而言，在电压转换器应用于高功率电子装置的情况下，要同时达到高功率密度、低共模噪声(Common mode noise)的设计要求相当困难。在共模噪声难以被抑制的情况下，共模噪声会进入二次侧而进一步地干扰电子元件的运作。因此，如何防止共模噪声干扰电子元件的运作，是电压转换器的开发重点之一。
发明内容
本发明提供一种电压转换器以及电压转换方法，可用以降低共模噪声。
本发明的电压转换器包括变压器、一次侧转换电路、二次侧转换电路以及至少一第一电容。变压器包括绕线轴、铁芯、至少一初级线圈、至少一次级线圈。该至少一初级线圈及该至少一次级线圈围绕于该绕线轴上，且该绕线轴包覆该铁芯。一次侧转换电路耦接至该变压器。二次侧转换电路耦接至该变压器。所述至少一第一电容的第一端耦接至该铁芯及该至少一第一电容的第二端耦接于该一次侧转换电路的接地端。所述至少一第一电容用以依据该至少一第一电容的电容值提供共模噪声导通路径。
在本发明的电压转换方法是用以降低电压转换器的共模噪声。电压转换器包括变压器、一次侧转换电路以及二次侧转换电路，该变压器包括绕线轴、铁芯、至少一初级线圈、至少一次级线圈，其中该至少一初级线圈及该至少一次级线圈围绕于该绕线轴上，且该绕线轴包覆该铁芯，其中该一次侧转换电路耦接至该变压器，该二次侧转换电路耦接至该变压器，其中电压转换方法包括：提供至少一第一电容，并且使该至少一第一电容的第一端耦接至该铁芯以及使该至少一第一电容的第二端耦接至该一次侧转换电路的接地端；以及依据该至少一第一电容的电容值提供共模噪声导通路径。
基于上述，本发明的电压转换器是通过将至少一第一电容耦接至该铁芯与一次侧转换电路的接地端以提供共模噪声导通路径。如此一来，电压转换器的共模噪声可以回归到一次侧转换电路的接地端。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依据本发明第一实施例所示出的电压转换器的电路示意图。
图2是依据本发明第二实施例所示出的电压转换器的电路示意图。
图3是依据本发明第三实施例所示出的电压转换器的电路示意图。
图4是依据本发明一实施例所示出的电压转换方法流程图示意图。
附图标记说明：
100、200、300：电压转换器；
110、210、310：变压器；
120、220、320：一次侧转换电路；
224：谐振转换电路；
222：电压切换电路；
130、230、330：二次侧转换电路；
232、332：整流电路；
234、334：滤波电路；
340：电平电路；
C1：第一电容；
C2：第二电容；
C3_1、C3_2、C3_3：第三电容；
CC：铁芯；
Cout：滤波电容；
Cr：谐振电容；
GND1、GND2：接地端；
LE：连接元件；
Lm：激磁电感；
Lr：谐振电感；
P：共模噪声导通路径；
Q1：第一开关；
Q2：第二开关；
R：电阻；
S410、S420：步骤；
S1、S2：整流开关；
T1：初级线圈；
T2_1、T2_2：次级线圈；
Vin：输入电压；
Vout：输出电压。
具体实施方式
请参考图1，图1是依据本发明第一实施例所示出的电压转换器的电路示意图。在本实施例中，电压转换器100包括变压器110、一次侧转换电路120、二次侧转换电路130以及第一电容C1。一次侧转换电路120用以接收输入电压Vin。变压器110用以对输入电压Vin进行变压以提供经转换电压(例如是升压或降压)。二次侧转换电路130用以对经转换电压进行处理(例如是整流处理或滤波处理)以提供输出电压Vout。一次侧转换电路120耦接至该变压器110并且具有接地端GND1。二次侧转换电路130耦接至所述变压器110并且具有接地端GND2。一次侧转换电路120的接地端GND1与二次侧转换电路130的接地端GND2并没有直接连接。举例来说，一次侧转换电路120的接地端GND1是电力接地(power gound)，而二次侧转换电路130的接地端GND2是大地接地(earth)。本实施例的一次侧转换电路120以及二次侧转换电路130可以是用以提高功率密度的电路。一次侧转换电路120以及二次侧转换电路130可例如是谐振转换电路、功率因数校正电路以及电压切换电路的至少其中之一。电压转换器100的变压器110进一步地包括绕线轴(未示出)、铁芯CC、初级线圈T1以及次级线圈T2_1、T2_2。在本实施例中，第一电容C1的第一端耦接至铁芯CC。第一电容C1的第二端耦接于一次侧转换电路120的接地端GND1，藉以提供共模噪声导通路径P。为了容易描述本发明实施方式，本实施例是以第一电容C1、初级线圈T1以及次级线圈T2_1、T2_2来进行示例说明。本发明的第一电容、初级线圈以及次级线圈分别可以是一个或多个，并没有固定的限制。
除此之外，电压转换器100还包括第二电容C2以及第三电容C3_1、C3_2、C3_3。第二电容C2耦接于初级线圈T1与次级线圈T2_1/T2_2之间。第三电容C3_1的第一端耦接于铁芯CC。第三电容C3_1的第二端耦接于至一次侧转换电路120。第三电容C3_2、C3_3的第一端耦接于铁芯CC。第三电容C3_2、C3_3的第二端耦接于二次侧转换电路130。本实施例的第二电容C2以及第三电容C3_1、C3_2、C3_3是存在于电压转换器100中的杂散电容(寄生电容)。
在本实施例中，变压器110还可以包括连接元件LE。连接元件LE耦接于铁芯CC与第一电容C1的第一端之间。也就是说，铁芯CC经由连接元件LE电性连接至第一电容C1的第一端，藉以确保铁芯CC上的各位置的电压电平与第一电容C1的第一端的电压电平一致。在一些实施例中，连接元件LE可以是铜箔。
在本实施例中，变压器110的初级线圈T1以及次级线圈T2_1、T2_2围绕于在绕线轴(未示出)上。绕线轴(未示出)包覆着铁芯CC。以变压器110而言，第二电容C2是存在于初级线圈T1与次级线圈T2_1/T2_2之间的杂散电容。第三电容C3_1是存在于铁芯CC与一次侧转换电路120之间或是存在于铁芯CC与初级线圈T1之间的杂散电容。第三电容C3_2是存在于铁芯CC与二次侧转换电路130之间或是存在于铁芯CC与次级线圈T2_1之间的杂散电容。第三电容C3_3是存在于铁芯CC与二次侧转换电路130之间或是存在于铁芯CC与次级线圈T2_2之间的杂散电容。在第一电容C1的设计上是将第一电容C1的电容值大于第二电容C2以及第三电容C3_1、C3_2、C3_3的电容值。一般而言，第二电容C2以及第三电容C3_1、C3_2、C3_3的电容值约为数十皮法拉(picofarad，pF)，所以在第一电容C1的电容值可被设计为数百皮法拉或数千皮法拉。也因此，以共模噪声而言，相较于第二电容C2以及第三电容C3_1、C3_2、C3_3，第一电容C1可形成较低的共模噪声导通路径P。当一次侧转换电路120进行操作而使变压器110产生共模噪声时，共模噪声会经由共模噪声导通路径P传导至一次侧转换电路120的接地端GND1。如此一来，共模噪声不会经由上述杂散电容(即，第二电容C2以及第三电容C3_1、C3_2、C3_3)或变压器110对输入电压的电压转换操作而进入二次侧转换电路130以干扰连接于二次侧转换电路130的电子元件。在一些实施例中，第一电容C1可以是安规电容(如，Y电容)。
请参考图2，图2是依据本发明第二实施例所示出的电压转换器的电路示意图。在本实施例中，一次侧转换电路220包括电压切换电路222以及谐振转换电路224。电压切换电路222包括第一开关Q1以及第二开关Q2。第一开关Q1的第一端用以接收输入电压Vin。第二开关Q2第一端耦接于该第一开关Q1的第二端。第二开关Q2的第二端耦接于一次侧转换电路220的接地端GND1。第一开关Q1以及第二开关Q2分别受控于控制信号以被导通或断开。谐振转换电路224耦接于电压切换电路222与该初级线圈T1之间，谐振转换电路224包括谐振电感Lr、激磁电感Lm以及谐振电容Cr。该谐振电感Lr的第一端耦接于第二开关Q2的第一端。激磁电感Lm的第一端耦接于该谐振电感Lr的第二端。谐振电容Cr的第一端接于激磁电感Lm的第二端，谐振电容Cr的第二端耦接于一次侧转换电路220的接地端GND1。
二次侧转换电路包括整流电路232以及滤波电路234。整流电路232用以对经由变压器所转换的经转换电压进行整流操作。整流电路232包括整流开关S1、S2。整流开关S1的第一端耦接至次级线圈T2_1的输出端。整流开关S2的第一端耦接至次级线圈T2_2的输出端。整流开关S2的第二端耦接至整流开关S1的第二端。整流开关S1、S2分别受控于控制信号以被导通或断开。滤波电路234用以对经由变压器210所转换的经转换电压进行滤波操作。在本实施例中，滤波电路234耦接至整流电路232。滤波电路234的接地端耦接至二次侧转换电路230的接地端GND2。滤波电路234至少包括滤波电容Cout。滤波电容Cout的第一端耦接于次级线圈T2_1、T2_2的抽头接点。滤波电容Cout的第二端耦接于二次侧转换电路的接地端GND2。在本实施例中整流电路232以及滤波电路234可协同地对变压器210所转换的经转换电压进行整流滤波操作，以提供输出电压Vout。
本实施例的电压切换电路222、谐振转换电路224、变压器210以及整流电路232的组合可以实现半桥式谐振电路，因此电压转换器200可具有半桥式谐振电路的高功率密度的优点。在其他的实施例中，整流电路232的整流开关S1、S2可以由二极管来实现。本发明并不以本实施例的电压切换电路222、谐振转换电路224、整流电路232以及滤波电路234的耦接方式为限。在一些实施例中，本实施例的变压器210以及第一电容C1可适用于全桥式谐振电路或反驰式(flyback)转换电路。
值得一提的是，基于上述的电压切换电路222、谐振转换电路224、变压器210以及整流电路232的组合可以使电压转换器200实现高功率密度。除此之外，第一电容C1耦接于铁芯CC与一次侧转换电路220的接地端GND1之间以提供共模噪声导通路径P。因此，共模噪声会经由共模噪声导通路径P被传导到一次侧转换电路220的接地端GND1，而不会进入二次侧转换电路230以干扰连接于二次侧转换电路230的电子元件。
本实施例的变压器210的相关实施细节，请参考图1、图2所示的变压器110，因此恕不再此重述。
请参考图3，图3是依据本发明第三实施例所示出的电压转换器的电路示意图。在本实施例中，与第二实施例(图2)的电压转换器200不同，电压转换器300还包括电平电路340。电平电路340包括电阻R。电阻R的第一端耦接至第一电容C1的第一端，电阻R的第二端耦接至二次侧转换电路330的接地端GND2。电平电路340用以依据电阻R的电阻值对铁芯CC提供电压电平。也就是说，电平电路340会依据电阻R以及通过电阻R的电流值以对铁芯CC提供安全的电压电平，藉以使电压转换器300在进行电磁兼容性(electromagneticcompatibility，EMC)测试或使用过程中，降低在二次侧发生电弧的机会。除此之外，电平电路340也可以通过电阻R来降低漏电流的发生，进而达到省电的效果。
在其他实施例中，电平电路340可以是具有齐纳二极管的稳压电路，本发明的电平电路340并不以第三实施例为限。
本实施例的电压切换电路322、谐振转换电路324、变压器310、第一电容C1以及整流电路332的相关实施细节，请参考图2所示的电压切换电路222、谐振转换电路224、变压器210、第一电容C1以及整流电路220。
请参考同时参考图1及图4，图4是依据本发明一实施例所示出的电压转换方法流程图示意图。在步骤S410中，提供至少一第一电容C1，并且至少一第一电容C1的第一端耦接至铁芯CC以及使至少一第一电容C1的第二端耦接一次侧转换电路220的接地端GND1。在步骤S420中，依据至少一第一电容C1的电容值提供共模噪声导通路径P。关于步骤S410、S420的实施细节，可以由图1至图3的实施例获致足够的教示，因此恕不再此重述。
综上所述，本发明的电压转换器可通过第一电容所提供的共模噪声导通路径来将电压转换器的共模噪声传导到一次侧转换电路的接地端。如此一来，共模噪声不会经由上述杂散电容或变压器对输入电压的电压转换操作而进入二次侧转换电路以干扰连接于二次侧转换电路的电子元件。除此之外，电压转换器还进一步包括电平电路。电平电路会依据电阻以及通过电阻的电流值以对铁芯提供安全的电压电平，藉以降低在二次侧发生电弧的机会并且降低漏电流的发生，从而达到省电的效果。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。
Claims (11)
1.一种降低共模噪声的电压转换器，包括：
变压器，包括绕线轴、铁芯、至少一初级线圈、至少一次级线圈，其中所述至少一初级线圈及所述至少一次级线圈围绕于所述绕线轴上，且所述绕线轴包覆所述铁芯；
一次侧转换电路，所述一次侧转换电路耦接至所述变压器；
二次侧转换电路，所述二次侧转换电路耦接至所述变压器；
至少一第一电容，所述至少一第一电容的第一端耦接至所述铁芯及所述至少一第一电容的第二端耦接于所述一次侧转换电路的接地端，用以依据所述至少一第一电容的电容值提供共模噪声导通路径；
至少一第二电容，耦接于所述至少一初级线圈与所述至少一次级线圈之间；以及
至少一第三电容，所述至少一第三电容的第一端耦接至所述铁芯，所述至少一第三电容的第二端耦接至所述一次侧转换电路或所述二次侧转换电路，
其中所述至少一第一电容的电容值大于所述至少一第二电容的电容值以及所述至少一第三电容的电容值。
2.根据权利要求1所述的电压转换器，其中当所述一次侧转换电路所产生的共模噪声进入所述变压器时，使所述共模噪声经由所述共模噪声导通路径传导至所述一次侧转换电路。
3.根据权利要求1所述的电压转换器，还包括：
电平电路，包括至少一电阻，所述至少一电阻的第一端耦接至所述至少一第一电容的第一端，所述至少一电阻的第二端耦接至所述二次侧转换电路的接地端，用以依据所述至少一电阻的电阻值对所述铁芯提供电压电平。
4.根据权利要求2所述的电压转换器，其中所述一次侧转换电路包括：
电压切换电路，所述电压切换电路包括：
第一开关，所述第一开关的第一端用以接收输入电压；以及
第二开关，所述第二开关的第一端耦接于所述第一开关的第二端，所述第二开关的第二端耦接于所述一次侧转换电路的接地端。
5.根据权利要求4所述的电压转换器，其中所述一次侧转换电路包括：
谐振转换电路，耦接于所述电压切换电路与所述至少一初级线圈之间，所述谐振转换电路包括：
谐振电感，所述谐振电感的第一端耦接于所述第二开关的第一端；
激磁电感，所述激磁电感的第一端耦接于所述谐振电感的第二端；以及
谐振电容，所述谐振电容的第一端接于所述激磁电感的第二端，所述谐振电容的第二端耦接于所述一次侧转换电路的接地端。
6.根据权利要求4所述的电压转换器，其中当所述电压切换电路切换所述输入电压时，所述一次侧转换电路产生所述共模噪声。
7.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述二次侧转换电路包括：
整流电路，用以对经由所述变压器所转换的经转换电压进行整流操作；以及
滤波电路，用以对经由所述变压器所转换的所述经转换电压进行滤波操作，其中所述滤波电路的接地端耦接至所述二次侧转换电路的接地端。
8.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述铁芯经由连接元件电性连接至所述至少一第一电容的第一端。
9.一种用于降低电压转换器的共模噪声的电压转换方法，其中所述电压转换器包括变压器、一次侧转换电路以及二次侧转换电路，所述变压器包括绕线轴、铁芯、至少一初级线圈、至少一次级线圈，其中所述至少一初级线圈及所述至少一次级线圈围绕于所述绕线轴上，且所述绕线轴包覆所述铁芯，其中所述一次侧转换电路耦接至所述变压器，所述二次侧转换电路耦接至所述变压器，其中所述电压转换方法包括：
提供至少一第一电容，并且使所述至少一第一电容的第一端耦接至所述铁芯以及使所述至少一第一电容的第二端耦接至所述一次侧转换电路的接地端；以及
依据所述至少一第一电容的电容值提供共模噪声导通路径，
其中所述电压转换器还包括至少一第二电容以及至少一第三电容，所述至少一第二电容耦接于所述至少一初级线圈与所述至少一次级线圈之间，所述至少一第三电容的第一端耦接至所述铁芯，所述至少一第三电容的第二端耦接至所述一次侧转换电路或所述二次侧转换电路，其中提供所述至少一第一电容的步骤包括：
提供所述至少一第一电容的电容值，其中所述至少一第一电容的电容值大于所述至少一第二电容的电容值以及所述至少一第三电容的电容值。
10.根据权利要求9所述的电压转换方法，其中依据至少一第一电容的电容值提供所述共模噪声导通路径的步骤包括：
接收输入电压；以及
当所述输入电压被切换时，使所述一次侧转换电路所产生的所述共模噪声经由所述共模噪声导通路径被传导至所述一次侧转换电路的接地端。
11.根据权利要求9所述的电压转换方法，还包括：
提供包括至少一电阻的电平电路，使所述至少一电阻的第一端耦接所述至少一第一电容的第一端，以及使所述至少一电阻的第二端耦接所述二次侧转换电路的接地端；以及
依据所述电平电路的电阻值对所述铁芯提供电压电平。
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