CN113643886A - 变压器、开关电源及电子设备 - Google Patents

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CN113643886A CN202110976859.6A CN202110976859A CN113643886A CN 113643886 A CN113643886 A CN 113643886A CN 202110976859 A CN202110976859 A CN 202110976859A CN 113643886 A CN113643886 A CN 113643886A
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Abstract

本发明公开了一种变压器、开关电源及电子设备。本发明的变压器包括：第一绕组、第二绕组和第三绕组，第一绕组包括第一端、第二端；第二绕组包括第一端、第二端，第二绕组的第一端连接第一绕组的第一端；第三绕组包括第三端、第四端；其中，第二绕组为第一绕组的反相绕组，第一绕组的第二端、第二绕组的第一端、第三绕组的第三端互为同名端。本发明通过设置与第一绕组反相的第二绕组，抵消了初级电路与次级电路间的共模电流，从而降低了工作过程中产生的高频开关共模噪声，同时并没有引入其他噪声，也无需额外的器件，降低了成本的同时提升了实际应用的效果。

Description

变压器、开关电源及电子设备
技术领域
本发明涉及电子领域，尤其是一种变压器、开关电源及电子设备。
背景技术
相关技术中，反激式开关电源的变压器由于绕组间存在寄生电容，在工作时会产生共模噪声，往往通过在初级电路与次级电路间跨接Y电容和在初级电路和次级电路中间串接共模电感的方式减小共模噪声。
然而，这种方法不仅需要额外的器件，而且在降低高频开关共模噪声的同时又会将初级电路的工频噪声耦合到次级电路中从而引入新的噪声，还降低了初次级电路间的绝缘性能。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种变压器、开关电源及电子设备。本发明能够节约成本的同时，通过反相绕组抵消初级电路与次级电路间的共模电流，从而在降低高频开关共模噪声的同时又不引入新的噪声，还提升了产品的绝缘强度。
本发明还提出一种具有上述变压器的开关电源。
本发明还提出一种具有上述开关电源的电子设备。
根据本发明的第一方面实施例的变压器，包括：第一绕组，所述第一绕组包括第一端、第二端；第二绕组，所述第二绕组包括第一端、第二端，所述第二绕组的第一端连接所述第一绕组的第一端；第三绕组，所述第三绕组包括第三端、第四端；其中，所述第二绕组为所述第一绕组的反相绕组，所述第一绕组的第二端、所述第二绕组的第一端、所述第三绕组的第三端互为同名端。
根据本发明实施例的变压器，至少具有如下有益效果：通过设置与第一绕组反相的第二绕组，抵消了初级电路与次级电路间的共模电流，从而降低了工作过程中产生的高频开关共模噪声，同时并没有引入其他噪声，也无需额外的器件，降低了成本的同时提升了实际应用的效果。
根据本发明的一些实施例，所述第一绕组为最内绕组，所述第一绕组第二端连接所述第一绕组的最内层绕线，所述第二绕组间隔设置于所述第一绕组与所述第三绕组之间。
根据本发明的一些实施例，所述第二绕组的匝数与所述第三绕组与所述第一绕组相邻层匝数相等。
根据本发明的一些实施例，所述第二绕组的第二端悬空。
根据本发明的第二方面实施例的开关电源，包括根据本发明第一方面实施例的变压器，所述第一绕组用于将电能转换为所述变压器的磁场能量，所述第三绕组用于将所述磁场能量转换为电能；电源输入模块，所述电源输入模块与所述变压器的所述第一绕组的第一端连接，用于将市电转换为所述电场能量并将所述电场能量输入至所述变压器；电源输出模块，所述电源输出模块与所述变压器的所述第三绕组连接，用于接收并储存所述变压器输出的电能，并将所述电能输出至负载；开关控制模块，所述开关控制模块与所述电源输入模块、所述电源输出模块、所述变压器中的所述第一绕组的第二端连接，用于控制所述变压器从所述电源输入模块获取或停止获取能量。
根据本发明实施例的开关电源，至少具有如下有益效果：通过电源输入模块将市电转换为电场能量，并利用本发明上述第一方面实施例的变压器从电源输入模块获取的能量转换为变压器的磁场能量、再将磁场能量转换为电能，通过电源输出模块将电能变成电场能存储于电容中并平稳输出，以获取到更低噪声、质量更好的电源输出；通过设置开关控制模块，实现了对变压器工作状态的控制，从而实现开关电源的电能传送功能。降低了成本、提供了噪声低、结构简单的开关电源。
根据本发明的一些实施例，所述开关控制模块包括：反馈单元，所述反馈单元与所述电源输出模块连接；控制单元，所述控制单元与所述变压器的所述第一绕组的第二端、所述电源输入模块和所述反馈单元连接。
根据本发明的一些实施例，所述电源输入模块包括：整流单元，所述整流单元与市电连接，用于将所述市电双向的交流电能转换为单向的直流电能；高压储能单元，所述高压储能单元的正端与所述整流单元的正端、所述第一绕组的第一端连接，所述高压储能单元的负端与所述整流单元的负端、所述开关控制模块连接，所述高压储能单元用于存储所述整流单元输出的所述直流电能。
根据本发明的一些实施例，所述电源输出模块包括输出整流单元和输出储能单元，其中，所述输出整流单元包括第一二极管，所述输出储能单元包括：第一电容，所述第一电容的正极与所述第一二极管的负极连接，所述第一电容的负极与所述第三绕组的第四端连接，所述第一电容的负极接地；其中，所述第一二极管的正极与所述第三绕组的第三端连接；第二电容，所述第二电容与所述第一电容并联。根据本发明的第三方面实施例的电子设备，包括根据本发明上述第二方面实施例的开关电源。
根据本发明实施例的电子设备，至少具有如下有益效果：通过采用本发明上述第二方面实施例的开关电源，可以获得更高质量的电能输出和更低成本的开关电源，并且能够在有效的提升质量的同时降低成本。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例变压器示意图；
图2为本发明实施例开关电源示意图；
图3为本发明实施例开关电源的具体电路示意图。
附图标记：
变压器100、第一绕组110、第一绕组的第一端N1-1、第一绕组的第二端N1-2、第二绕组120、第二绕组的第一端N2-1、第二绕组的第二端N2-2、第三绕组130、第三绕组的第三端N3-3、第三绕组的第四端N3-4、电源输入模块200、整流单元210、高压储能单元220、电源输出模块300、输出整流单元310、输出储能单元320、开关控制模块400、反馈单元410、控制单元420。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
下面参考图1描述根据本发明第一方面实施例的变压器。
如图1所示，根据本发明实施例的变压器，包括第一绕组110、第二绕组120和第三绕组130。
第一绕组110包括第一端N1-1、第二端N1-2；第二绕组120包括第一端N2-1、第二端N2-2，第二绕组120的第一端N2-1连接第一绕组110的第一端N1-1；第三绕组130包括第三端N3-3、第四端N3-4；其中，第二绕组120为第一绕组110的反相绕组，第一绕组110的第二端N1-2、第二绕组120的第一端N2-1、第三绕组130的第三端N3-3互为同名端。
根据本发明实施例的变压器，通过设置与第一绕组110反相的第二绕组120，抵消了初级电路与次级电路间的共模电流，从而降低了工作过程中产生的高频开关共模噪声，同时并没有引入其他噪声，也无需额外的器件，降低了成本的同时提升了实际应用的效果。
在一些实施例中，第一绕组110的第一端N1-1与第二绕组的第一端N2-1连接在一起，第二绕组120间隔设置于第一绕组110与第三绕组130之间，第二绕组120为第一绕组110的反相绕组。第一绕组110为初级绕组，为最内层的绕组，由于初级电压高导致匝数多，将第一绕组110设置于最内层能够节省材料。第一绕组110的第二端N1-2与第一绕组110最内层的绕线连接，用于减小共模噪声。第三绕组130电压低、匝数少，通常不是满层，设置于最外层。其中，第一绕组的第二端N1-2、第二绕组的第一端N2-1和第三绕组的第三端N3-3互为同名端。
传统变压器工作时，第一绕组110与第三绕组130之间会产生寄生电容，控制单元导通和截止都会导致第一绕组110内的电位变化，作用于第一绕组110和第三绕组130上产生共模电流，从而产生高频开关共模噪声。
本发明实施例提出的变压器，在第一绕组110的第一端N1-1牵线绕制一个第二绕组120，使第二绕组120的匝数与第三绕组130直接与第一绕组110相邻层的匝数大约相等。当第一绕组110上各点电位变低时，第二绕组120上各点电位会变高。因此，通过调整第二绕组120的匝数，使得第三绕组130到第一绕组110的电流大小与第二绕组120到第三绕组130的电流大小近似相等，从而能够减小甚至消除初级电路与次级电路之间的共模电流，使得高频开关共模噪声得以抵消，并且能够降低电路成本，提供更高质量的电源。
在本发明的一些实施例中，第一绕组110为最内绕组，第一绕组110的第二端与第一绕组110的最内层绕线连接，第二绕组120间隔设置于第一绕组110与第三绕组130之间。
在本发明的一些实施例中，第二绕组120的匝数与第三绕组130与第一绕组110相邻层匝数相等。因为第一绕组110是多层、第三绕组130的匝数较少，因此，通常将第二绕组120的匝数设置为与第三绕组130与第一绕组110相邻层匝数相等，能够有效降低共模电流，减小甚至消除高频开关共模噪声的效果。其中，第二绕组120的匝数可以根据需求进行设置。
在本发明的一些实施例中，第二绕组120的第二端悬空，将第二绕组120的第二端悬空设置，能够简化工程步骤，提升效率。在其他一些实施例中，第二绕组120的第二端可以根据需求进行其他设置方式。
第二方面，如图2和图3所示，本发明实施例还提供了一种开关电源，包括根据本发明上述第一方面实施例的变压器100、电源输入模块200、电源输出模块300、开关控制模块400。变压器100中的第一绕组110用于将电能转换为所述变压器100的磁场能量，第三绕组130用于将磁场能量转换为电能；电源输入模块200与变压器100的第一绕组110的第一端N1-1连接，用于将市电转换为电场能量并将所述电场能量输入至变压器100；电源输出模块300与变压器100的第三绕组130连接，用于接收并储存变压器100输出的电能，并将电能输出至负载；开关控制模块400与电源输入模块200、电源输出模块300、变压器100中的第一绕组110的第二端N1-2连接，用于控制变压器100从电源输入模块200获取或停止获取能量。
例如，电源输入模块200一端与市电连接，用于接收市电，并将市电能量转换为电场能量存储于高压电容中；电源输入模块200的另一端与变压器100的第一绕组110的第一端N1-1连接，用于将高压电容中存储的电场能量输入至变压器100中。电源输出模块300与变压器100连接，当高压储能单元220中的电场能量变成电能进入变压器100时，由变压器100的第一绕组110转换为变压器100的磁场能量，再由变压器100的第三绕组130将磁场能量转换为电能输入至电源输出模块300，电源输出模块300接收变压器100输出的电能，并将电能转换为电场能存储于输出储能单元320中。
开关控制模块400与电源输入模块200、电源输出模块300和变压器100的第一绕组110的第二端N1-2连接，用于控制变压器100的工作状态。当开关控制模块400导通时，控制变压器100从电源输入模块200中获取能量；当开关控制模块400关闭时，控制变压器100停止从电源输入模块200获取能量，并通过输出整流单元310将变压器100中的磁场能量转换为电能输出，同时，以电场能的形式存储于输出储能单元320中。
根据本发明实施例的开关电源，通过电源输入模块200将市电转换为电场能量，并利用本发明上述第一方面实施例的变压器100从电源输入模块200获取的能量转换为变压器的磁场能量、再将磁场能量转换为电能，通过电源输出模块300将电能变成电场能存储于电容中并平稳输出，以获取到更低噪声、质量更好的电源输出；通过设置开关控制模块400，实现了对变压器100工作状态的控制，从而实现开关电源的电能传送功能，降低了成本、提供了噪声低、结构简单的开关电源。
在本发明的一些实施例中，如图2和图3所示，开关控制模块400包括反馈单元410和控制单元420，反馈单元410与电源输出模块300连接；控制单元420与变压器100的第一绕组110的第二端N1-2、电源输入模块200和反馈单元410连接。
反馈单元410会将输出储能单元320的电压信号反馈传送至控制单元420，控制单元420在每个开关周期开始时检测反馈信号，若输出储能单元320的电压高则本周期控制单元420的DS截止，否则控制单元420的DS导通。当控制单元420的DS导通时，高压储能单元220的高电压作用于第一绕组110，第一绕组110内的电流线性增长，达到控制单元420的电流限值时控制单元420的DS截止。当控制单元420的DS稳定截止时，第一绕组110绕线上的电位和第二绕组120绕线上的电位都等于高压储能单元220正端电位。当控制单元420的DS导通时，第一绕组110的N1-1端的电位和第二绕组的N2-1端的电位都等于高压储能单元220正端电位；第一绕组110的N1-2电位等于高压储能单元220负端电位，第一绕组110内部绕线上的电位从N1-1端开始向N1-2端线性下降；而第二绕组120内部绕线上的电位从N2-1端开始向N2-2端线性上升。由于控制单元420的DS从截止转向导通时，第一绕组110内绕线上的电位发生突变变低，会通过第一绕组110与第三绕组130间的寄生电容从第三绕组130拉电流；而第二绕组120内绕线上的电位则会突变变高，则会通过第二绕组120与第三绕组130间的寄生电容向第三绕组130灌电流。通过选择合适的第二绕组120的匝数，能够使得拉电流和灌电流近似相等相互抵消，从而减小甚至消除开关电源工作时的开关共模噪声。
在本发明的一些实施例中，电源输入模块200包括整流单元210和高压储能单元220。整流单元210与市电连接，用于将市电双向的交流电能转换为单向的直流电能；高压储能单元220的正端与整流单元210的正端、第一绕组110的第一端N1-1连接，高压储能单元220的负端与整流单元210的负端、开关控制模块400连接，高压储能单元220用于存储整流单元210输出的直流电能。在市电输入至开关电源时，通过整流单元210先对市电进行整流，将双向的交流电能转换为单向的直流电，并将直流电输入至高压储能单元220中。高压储能单元220的正端与整流单元210的正端、第一绕组110的第一端N1-1连接，用于存储整流单元210输出的单向直流电能；高压储能单元220的负端与整流单元210的负端、开关控制模块400连接。
在本发明的一些实施例中，如图2和图3所示，所述电源输出模块300包括输出整流单元310和输出储能单元320，输出整流单元310包括第一二极管D1，输出储能单元320包括第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1的正极与第一二极管D1的负极连接，第一电容C1的负极与第三绕组130的第四端N3-4连接，第一电容C1的负极接地；其中，第一二极管D1的正极与第三绕组130的第三端N3-3连接；第二电容C2与第一电容C1并联。第二电容C2为容值较小、高频特性很好的无极性电容，通过设置第二电容C2能够提高电源质量。
控制单元420截止时，变压器100中的磁场能通过输出整流单元310中的第一二极管D1传送至输出储能单元320的第一电容C1中，至使输出储能单元320上的电压变化，反馈单元410检测输出储能单元320上的电压信号，从而使控制单元420导通或截止，以控制高压储能220的电场能量进入变压器100变成变压器100的磁场能量，从而维持输出储能单元320的电压平稳，实现了开关电源的工作要求，提升电源质量，降低电源共模噪声的目的。在其他一些实施例中，第一电容C1的正极可以直接与第三绕组130的第三端连接，负极与第一二极管D1的正极连接，第一二极管D1的负极与第三绕组130的第四端连接；此外，输出储能单元320中可以不设置第二电容C2。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括根据本发明上述第二方面实施例的开关电源。
根据本发明实施例的电子设备，通过采用上述开关电源，可以获得更高质量的电能输出和更低成本的开关电源，并且能够在有效的提升性能的同时降低成本。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.变压器，其特征在于，包括：
第一绕组，所述第一绕组包括第一端、第二端；
第二绕组，所述第二绕组包括第一端、第二端，所述第二绕组的第一端连接所述第一绕组的第一端；
第三绕组，所述第三绕组包括第三端、第四端；
其中，所述第二绕组为所述第一绕组的反相绕组，所述第一绕组的第二端、所述第二绕组的第一端、所述第三绕组的第三端互为同名端。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一绕组为最内绕组，所述第一绕组第二端连接所述第一绕组的最内层绕线，所述第二绕组间隔设置于所述第一绕组与所述第三绕组之间。
3.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第二绕组的匝数与所述第三绕组与所述第一绕组相邻层匝数相等。
4.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第二绕组的第二端悬空。
5.开关电源，其特征在于，包括：
根据权利要求1至4中任一项所述的变压器，所述第一绕组用于将电能转换为所述变压器的磁场能量，所述第三绕组用于将所述磁场能量转换为电能；
电源输入模块，所述电源输入模块与所述变压器的所述第一绕组的第一端连接，用于将市电转换为电场能量并将所述电场能量输入至所述变压器；
电源输出模块，所述电源输出模块与所述变压器的所述第三绕组连接，用于接收并储存所述变压器输出的所述电能，并将所述电能输出至负载；
开关控制模块，所述开关控制模块与所述电源输入模块、所述电源输出模块、所述变压器中的所述第一绕组的第二端连接，用于控制所述变压器从所述电源输入模块获取或停止获取能量。
6.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述开关控制模块包括：
反馈单元，所述反馈单元与所述电源输出模块连接；
控制单元，所述控制单元与所述变压器的所述第一绕组的第二端、所述电源输入模块和所述反馈单元连接。
7.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述电源输入模块包括：
整流单元，所述整流单元与市电连接，用于将所述市电双向的交流电能转换为单向的直流电能；
高压储能单元，所述高压储能单元的正端与所述整流单元的正端、所述第一绕组的第一端连接，所述高压储能单元的负端与所述整流单元的负端、所述开关控制模块连接，所述高压储能单元用于存储所述整流单元输出的所述直流电能。
8.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述电源输出模块包括输出整流单元和输出储能单元，其中，所述输出整流单元包括第一二极管，所述输出储能单元包括：
第一电容，所述第一电容的正极与所述第一二极管的负极连接，所述第一电容的负极与所述第三绕组的第四端连接，所述第一电容的负极接地；其中，所述第一二极管的正极与所述第三绕组的第三端连接；
第二电容，所述第二电容与所述第一电容并联。
9.电子设备，其特征在于，包括根据权利要求5至8中任一项所述的开关电源。
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