CN1612451A

CN1612451A - 电源供应器及其设计方法

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Publication number: CN1612451A
Application number: CNA2003101046786A
Authority: CN
Inventors: 张崇兴
Original assignee: HUAYU COMPUTER CO Ltd
Current assignee: HUAYU COMPUTER CO Ltd
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2023-10-29
Also published as: CN100352148C

Abstract

一种电子电源供应器及其设计方法，是用以抑制由于变动的地电流所造成在电子设备中产生的信号干扰。一电源供应器包括一变压器、第一侧电路、第二侧电路、接地导体。本方法是经由串联的一电容器和一电感器分别将第一侧和第二侧连接到接地导体。加入的电容器可滤除直流和低频的杂讯和干扰，并帮助维持电磁干扰降低的表现。加入的电感器是为了摈除高频杂讯和干扰。大部分的杂讯和干扰信号无法通过形成的传导路径。此接地方法的结果为信号干扰的程度大幅降低。

Description

电源供应器及其设计方法

(1)技术领域

本发明有关电子设备中信号干扰(signal interference)的抑制，且特别有关在电源供应器(power supply)或电源配接器(adaptor)中运用新的接地(grounding)技术，以抑制变动的地电流(ground current)在电子设备中产生的信号干扰。

(2)背景技术

在电脑、电气和电子系统中，实施接地是很重要的一环。根据电气及电子工程师学会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)，接地被定义成导电性的连接(conducting connection)。不管是有意的连接或意外造成的连接，藉由此导电性的连接，电路或电子设备连接到地表(earth)或某个相对来说很大的导电性的物体(conducting body)，此导电性的物体即代替地表。接地是用来在连接到地表(或此导电性物体)的导体上建立与维持地表(或此导电性物体)的电位、或与其近似的电位，并且是为了传导地电流往返于地表(或此导电性物体)。此外，接地表(earthing)是将接地系统(grounding system)连接到地表的过程，且是为了使整个接地系统处于地表的电位。

图1绘示一个电脑和电子系统，此系统包括一个三接脚(pin)的电源供应器或电源配接器100、一台个人电脑(PC)或主机120以及一台显示器或某电子设备130。举例来说，电源供应器100的内部电路被简化成一个直流电压源102，此直流电压源102代表电源供应器100内部的变压器的第二侧(secondary side)输出。″三接脚″是用来描述在电源供应器100的输入端的三个导体，此三个导体分别用来以线路连接到一电源插座(power outlet)的三个导体，分别称为线路(Line)、中性(Neutral)与接地(Ground)。在电源供应器100的输入端的此三个导体包括线路导体104、中性导体106与接地导体108。系统接地端(frame ground)118是电源插座的接地导体且连接到地。个人电脑120作为此系统的主机单元，也被简化成一个负载电阻R1。其电源是由电源供应器100所提供。显示器130为了信号处理及控制而耦接于个人电脑120，而且也被简化成显示器内部电路的一输入阻抗R2。

接地是将电源供应器100、个人电脑120及显示器130之间连接在一起，并连接到地的过程。R3、R4、R5及R6代表电源供应器100、个人电脑120、显示器130及系统地118每两者之间互连电线的总阻抗。接地是通过连接接地导体108与电源插座的接地导体118的电线114、连接接地导体108与个人电脑120的电线110、连接个人电脑120与显示器130的电线112、以及连接显示器130与系统地118的电线116而实现(形成一地回路(ground loop))。直流电压源102通过一金属线供应一电流I1到个人电脑120的负载电阻R1，此电流I1流过负载电阻R1，而电线110载运此电流I1回到接地导体108而完成电压源-负载的电路。同样地，有一条电线载运信号到显示器130的输入阻抗R2，而且电线112载运此信号回到个人电脑120。Vout则是个人电脑120在提供到显示器130的两电线之间的信号电压。

任何将电源供应器100、个人电脑120及显示器130连接起来的闭回路，作为信号参考回路(signal reference loop)，是一个地回路，即使并不真正牵涉到地。实际来说，所有的导线中，包括任何地回路都有阻抗，所以当电流流过任何地回路、导线时，导线中任意两点间有杂讯、干扰电压的存在。在一地回路中任意两点间的电位差经常被称为地电压变动(ground voltage shift)，而且是电子电路中杂讯和干扰的一个主要来源。

在一地回路中的电流，称为地电流，可能来自电线110的阻抗R4上的压降。此电压造成一地电流Ig流经此地回路，且地电流Ig会藉由流经阻抗R5而在显示器130侧产生一干扰电压降，因此显示器130的跨于阻抗R2的电压Vin约为

Vin＝Vout-Ig*R5

但不等于个人电脑120的信号电压Vout。Ig*R5是在显示器130侧的干扰电压降。地电流及因此产生的地电压变动将造成在显示器130的输入阻抗R2处的信号失真。连接到地回路的导线中的任何电位，相对于此地回路中一较低电位，能造成地电流。

因为通过个人电脑120的负载电阻R1的负载电流一般而言是会变化的，跨于阻抗R4的电压所造成的地电流Ig也是会变化的，因此，干扰电压(Ig*R5)是会变化的。此干扰电压的连续改变是重大的杂讯，而且可能严重干扰供应到显示器130的信号。这种干扰极可能会造成显示器130屏幕上影像品质的变差。

基于上述理由，而有需要抑制地回路中地电流所造成杂讯和信号干扰的问题。然而信号干扰问题的一种可能解决方式为使用厚的导线，例如美式电线计量(American Wire Gauge，AWG)第18号导线，作为图1中信号的导线112，以更加防护信号免于杂讯与干扰。然而厚的导线并不实用，也不适合用在电脑和电子系统中。另一种解决方式为在地回路中，藉由减短电源供应器100与个人电脑120之间或个人电脑120与显示器130之间的导线长度，而减少电线的阻抗。但这种解决方式的缺点也是在于其难以实施。

至于电源供应器中的接地实施，考虑一个典型的电源供应器200，显示于图2。此电源供应器200包括一个变压器202、与在此变压器202的第一侧(primarys ide)204且连接到一外部交流输入电压源V_AC的第一侧电路、以及在此变压器202的第二侧206且产生此电源供应器200的输出电压Vout的第二侧电路。又此第二侧电路包括作为一整流器的二极管D1、一个滤波电容器C以及有时候一个额外的电压调节器(voltage regulator)。输出电压Vout被供应到一负载设备，例如个人电脑。如图2所示，在第一侧和第二侧之间有一电容器C3，用来降低电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)的程度。常见的接地实施为连接第二侧206到外部的系统地210。为了改善信号干扰的问题，本发明提供一较佳的接地方法。

(3)发明内容

如以上所述，长期以来电子电路中杂讯或信号干扰是严重的问题。本发明的主要目的是在电子电源供应器的设计上提供一种新的接地方法，以抑制在包含此电源供应器的电子系统的设备中的杂讯和信号干扰。

一电源供应器提供信号以处理及控制电能的流动，其至少包含一变压器与一导体。此变压器包含第一侧与第二侧。本发明的电源供应器的设计方法如下。串联一第一电容器与一第一电感器，其中此第一电容器连接到此变压器的第一侧，此第一电感器连接到此导体，而此第一电容器与此第一电感器连接于一节点。再将一第二电容器连接到此变压器的第二侧，且连接到此节点。此导体是用于电性连接到地表或连接到代替地表的一传导性物体。

加入的电容器和电感器是为了避免分别在第一侧与第二侧和接地导体之间形成直接传导路径(短路)。避免直接传导路径的形成，可有效阻碍杂讯和地电流自由通过。加入的电容器也是为了滤除直流和低频的杂讯，并帮助维持电磁干扰降低的表现，然而加入的电感器则是为了摒除高频杂讯和干扰，而且与电容器整体看来类似一电感电容滤波器(LC filter)。大部分的杂讯和干扰信号无法通过包含串联的电容器和电感器的传导路径。需注意的是，电感器的直流阻抗值不能超过0.1欧姆，以遵守安规。利用此接地方法可使信号干扰的程度大幅降低。因此，本发明提供一种有效的方法以抑制电子电路中无法避免的信号干扰问题。

本发明的范围也包括采用以上的设计方法而制造的一种电源供应器。此电源供应器包含一变压器、一导体、一第一电容器、一第一电感器以及一第二电容器。此变压器包含第一侧与第二侧。此第一电容器连接到此变压器的第一侧。此第一电感器与此第一电容器串联于一节点，且连接到此导体。此第二电容器连接到此变压器的第二侧，且连接到此节点。

为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。

(4)附图说明

图1是为一电脑和电子系统的简化电路图；

图2是为一典型电子电源供应器的电路图；

图3绘示本发明的接地方法在一典型电源供应器中的一实施例；以及

图4绘示本发明的接地方法在一典型电源供应器中的另一实施例。

(5)具体实施方式

第一实施例

在此叙述本发明的一实施例。信号干扰的抑制可以通过在电源供应器或电源配接器方面进行杂讯控制而实现。考虑一电子系统中一典型的电源供应器300，显示于图3。此电源供应器300包括一个变压器302、在此变压器302的第一侧且连接到一外部交流输入电压源V_AC的第一侧电路、在此变压器302的第二侧且产生此电源供应器300的输出电压Vout的第二侧电路以及一个接地导体304。电源供应器300产生直流电压和负载电流，以供给负载区块，此负载区块是一电路或装置，输出电压Vout即供应到此负载。变压器302是用来增加或减小交流输入电压，并且使外部交流电压源V_AC与第二侧电路隔离。

此第二侧电路包括作为一整流器的二极管D1，且为了将随着时间而变化的交流输入电压转换成脉动的直流电压(pulsating DC voltage)，此整流器是必须的。此第二侧电路也包括作为一滤波器的电容器C，此电容器C是用以消除整流后的电压的波动，并且产生一相当平稳的直流电压。有时候加入的电压调节器是电源供应器300中的一部份，此部份接收滤波后的直流电压，并且减小或消除波纹变动(ripple)，以对各种不同负载的状况提供一连续而平稳的直流电压。

第一侧的参考线路306和第二侧的参考线路308被设为零电压，所以它们电性连接到被设为零电压的接地导体304。此接地导体304有时经由一导线312而电性连接到电源供应器300不承载电流的金属部分，且为了设备接地(equipment grounding)是经由一导线316而连接到负载。为了能设定为零电压，此接地导体304需经由一导线314而连接到一外部的系统地310，此系统地310连接到地表。此负载也经由第二负载设备(未示出，例如显示器)的包含导线318的电源供应器或电源配接器而连接到系统地310，以完成地回路。

不像传统上将第二侧的参考线路308直接经由一导线连接到接地导体304，本发明的新接地技术如下所述：通过串联的一电容器C1和一电感器L将第一侧的参考线路306连接到接地导体304，以形成一传导路径。再将一电容器C2连接到第二侧的参考线路308及连接到电容器C1和电感器L的串接点，以使第二侧的参考线路308和接地导体304之间有一传导路径。增加的电容器和电感器是为了避免分别在第一侧的参考线路306与第二侧的参考线路308和接地导体304之间的两直接传导路径(短路)。此两直接传导路径分别是两不同地回路的一部份，以避免直接传导路径可阻碍杂讯和地电流自由通过，如果地电流被中断，在地回路中的干扰电压会变小。

加入的电容器C1、C2是为了滤除直流和低频的杂讯，并帮助维持电磁干扰降低的表现，因为电容器C1、C2整体可被调整为与图2中的电容器C3等效。加入的电感器L是为了摒除高频杂讯和干扰，而且与电容器C2整体看来类似一电感电容滤波器。此接地方法的结果为信号干扰的程度大幅降低。

需注意的是，电容器C1、C2的电容值的选择是适合于电磁干扰放射(EMIemission)、电源供应器300的抗杂讯控制(immunity control)以及具有较差频率的杂讯的降低。此外，电感器L所选择的直流阻抗值应该小于约0.1欧姆(ohm)，以符合安规。

第二实施例

请参照图4，在此叙述本发明的另一实施例。电源供应器400也是一电子系统中一典型的电源供应器。此电源供应器400包括一个变压器402、在此变压器402的第一侧且连接到一外部交流输入电压源V_AC的第一侧电路、在此变压器402的第二侧且产生此电源供应器400的输出电压Vout的第二侧电路、以及一个接地导体404。电源供应器400产生直流电压和负载电流，以供给负载区块。此负载区块是一电路或装置，而输出电压Vout即供应到此负载。接地导体404经由一导线412而导电性连接到此电源供应器400不承载电流的金属部分，且为了设备接地经由一导线416而连接到负载。

此接地导体404也经由一导线414而连接到一外部的系统地410，而此负载也经由第二负载设备(未绘出，例如显示器)的包含导线418的电源供应器或电源配接器而连接到系统地410，以完成地回路。电源供应器400与前一实施例中电源供应器300的差别在于第一侧的参考线路406和第二侧的参考线路408并不被设为零电压，也就是它们不会连接到地。通过串联的一电容器C1和一电感器L将第一侧的参考线路406连接到接地导体404(地并不牵涉在内)，以形成一传导路径。再将一电容器C2连接到第二侧的参考线路408及连接到电容器C1和电感器L的串接点，以使第二侧的参考线路408和接地导体404之间有一传导路径。增加的电容器和电感器是为了剪断分别在第一侧的参考线路406与第二侧的参考线路408和接地导体404之间的两直接传导路径(短路)，以避免直接传导路径可阻碍杂讯和地电流自由通过。如果地电流被中断，在地回路中的干扰电压会变小。

需注意的是，电容器C1、C2的电容值的选择是适合于电磁干扰放射、电源供应器400的抗杂讯控制以及具较差频率的杂讯的降低。电感器L所选择的直流阻抗值应该小于约0.1欧姆，以符合安规。

系统地410并不连接到地(零电压)而是处在另一电位。在此情况下，此电子系统的共同信号参考电位并不是设为零电位，而是设为另一电位。所以此系统的地回路不牵涉地。本发明的接地方法仍然适用于这种系统。

总之，本发明的接地方法及依此接地方法而设计出的电源供应器或电源配接器能有效抑制在包含此电源供应器的电子系统的设备中的杂讯和信号干扰，也即满足了在背景技术中所述的需求。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化和修改，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims

1.一种电源供应器的设计方法，是用于抑制电子设备中的杂讯和信号干扰，该电源供应器至少包含一变压器与一导体，其中该变压器包含第一侧与第二侧，该电源供应器提供信号以处理及控制电能的流动，该方法至少包含：

串联一第一电容器与一第一电感器，该第一电容器连接到该变压器的该第一侧，该第一电感器连接到该导体，该第一电容器与该第一电感器连接于一节点；以及

将一第二电容器连接到该变压器的该第二侧，且连接到该节点。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于该导体是用于传导性地连接到地表或连接到代替地表的一传导性物体。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于该导体处于一特定电位，该特定电位是作为一共同信号参考。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于该第一电容器与该第二电容器的电容值适合该电源供应器的电磁放射、抗杂讯控制。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于该第一电感器的直流阻抗值小于0.1欧姆。

6.一种电源供应器，藉由提供信号以处理及控制电能的流动，该电源供应器至少包含：

一变压器，它包含第一侧与第二侧；

一导体；

一第一电容器，它连接到该变压器的该第一侧；

一第一电感器，它与该第一电容器串联于一节点，且连接到该导体；以及

一第二电容器，它连接到该变压器的该第二侧，且连接到该节点。

7.如权利要求6所述的电源供应器，其特征在于该导体是用于传导性地连接到地表或连接到代替地表的一传导性物体。

8.如权利要求6所述的电源供应器，其特征在于该导体处于一特定电位，该特定电位是作为一共同信号参考。

9.如权利要求6所述的电源供应器，其特征在于该第一电容器与该第二电容器的电容值适合该电源供应器的电磁放射、抗杂讯控制。

10.如权利要求6所述的电源供应器，其特征在于该第一电感器的直流阻抗值小于0.1欧姆。