CN203632551U - 一种超强共模emi抑制性能的反激式开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种超强共模EMI抑制性能的反激式开关电源，可以有效地抑制一、二次绕组之间耦合电容引起的共模EMI噪声。等电势变压器主要包括变压器骨架、一次绕组、二次绕组和反相绕组四部分构成，变压器反相绕组依据零等电势线理论建构，通过消除一、二次绕组噪声电压，抑制共模EMI噪声。本实用新型在有效抑制共模EMI噪声的同时使损耗降到最小，有利于减小电源体积和提高能量转换效率。

Description

一种超强共模EMI抑制性能的反激式开关电源

技术领域

本实用新型属于开关电源电磁兼容技术领域，具体涉及一种超强共模EMI抑制性能的反激式开关电源。

背景技术

随着开关电源的开关频率不断提高，其EMI抑制问题成为设计高性能开关电源的一个很大挑战。在各种各样的开关电源EMI噪声抑制方案中，通常采用在供电电源的输入端增加EMI滤波器的方法来抑制传导EMI噪声，但是会带来不必要的功率损耗、体积增大、效率降低和总发热增大等问题；表贴EMI抑制器虽然体积很小，但是只有噪声频率在1MHz以上才会有效，低于1MHz的噪声无法得到有效抑制。

目前已有通过高频变压器技术抑制开关电源的共模（CM）EMI噪声成果，如采用减少变压器主绕组对二次绕组的寄生耦合电容技术抑制共模EMI噪声，但是一方面这会产生较大的漏感，另一方面会导致变压器转换效率降低；也有采用在一次和二次侧之间添加旁路电容技术抑制共模EMI噪声，这种技术适用的电容器会受到安全标准的限制，同时也不能提供一个足够低的阻抗，让滤波器分流出的所有CM噪声电流沿着这条路径流动；还有法拉第屏蔽技术，这种技术需要将导电板集成到变压器上来分流噪声电流，由于CM噪声电流流通路径较多，不易控制，这种技术不具有通用的有效性，屏蔽层必须正确安装才能满足安全要求。

本实用新型克服传统的利用高频变压器技术提高开关电源共模EMI抑制能力的缺点，依据零等电势理论设计并实现了一、二次侧等电势的高频变压器，实现了一种超强共模EMI抑制性能的反激式开关电源。涉及到的等电势高频变压器依据零等电势技术在变压器一次侧设计一反相绕组，抑制一次绕组和二次绕组之间耦合电容引起的共模噪声电流。反相绕组在初级绕组上产生一个反向电势，理想情况下，可以将流过的二次绕组的开关电势减少到零，使通过变压器一、二侧的共模EMI电流为零。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种超强共模EMI抑制性能的反激式开关电源，采用零等电势技术设计变压器一次绕组的反相绕组，通过增加的反相绕组可大幅削减共模EMI噪声，可以完全替代传统共模EMI低通滤波器。

本实用新型所采用的技术方案是，一种超强共模EMI抑制性能的反激式开关电源，包括依次连接的市网电源、线性阻抗稳定网络、整流电路和反激式变换器，反激式变换器上还分别连接有负载和EMI干扰接收机。

本实用新型的特点还在于，

其中的反激变换器由开关管V、等电势变压器和二极管VD三部分组成。

其中的等电势变压器包括变压器骨架、一次绕组、二次绕组和反相绕组，一次绕组紧靠变压器骨架，二次绕组在一次绕组和反相绕组之间，反相绕组在最外侧，反向绕组的一端连入电路，另一端孤立。

其中的市网电源为220V/50Hz的单相交流电源。

其中的整流电路为单相桥式布控整流电路。

本实用新型的有益效果是，本实用新型和现有装置相比优点在于：利用零等电势理论建构的具有反相绕组的高频变压器，通过消除一、二次绕组的噪声电压，超强地抑制共模EMI噪声。增加的反相绕组不流过低频电流，其损耗可以忽略不计。和传统的共模EMI低通滤波器相比，由于没有损耗和不需要额外的组件，可以提高能量转换效率，使开关电源体积减少同功率情况下的1/8，总体节省成本约1/6。

附图说明

图1是本实用新型超强共模EMI抑制性能的反激式开关电源的结构示意图；

图2是超强共模EMI抑制性能反激式开关电源等电势高频变压器中EMI噪声等效电路模型；（a）为超强共模EMI抑制性能反激式开关电源等电势降压变压器中EMI噪声等效电路模型，（b）为超强共模EMI抑制性能反激式开关电源等电势升压变压器中EMI噪声等效电路模型；

图3是超强共模EMI抑制性能反激式开关电源等电势变压器绕组绕向分布图；（a）为超强共模EMI抑制性能反激式开关电源等电势降压变压器绕组绕向分布图，（b）为超强共模EMI抑制性能反激式开关电源等电势升压变压器绕组绕向分布图；

图4是超强共模EMI抑制性能反激式开关电源等电势变压器的剖视图；（a）为超强共模EMI抑制性能反激式开关电源等电势降压变压器的剖视图，（b）为超强共模EMI抑制性能反激式开关电源等电势升压变压器的剖视图。

图中，1.市网电源，2.线性阻抗稳定网络，3.整流电路，4.反激式变换器，5.负载，6.EMI干扰接收机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型超强共模EMI抑制性能的反激式开关电源的结构，如图1所示（以降压变压器为例），包括：市网电源1、线性阻抗稳定网络2、整流电路3、反激式变换器4、EMI干扰接收机6和负载5。一个市网电源1为220V/50Hz的单相交流电源；整流电路3为单相桥式布控整流电路；反激式变换器4由开关管V、带反相绕组的等电势变压器和二极管VD三部分组成；负载为小功率电子设备或计算机。线性阻抗稳定网络2接在市网电源1和整流电路3之间。EMI干扰接收机6通过电流探头检测变压器二次侧对地的EMI干扰信号。C_S为变压器二次绕组对地的耦合电容，C₁为整流滤波稳压电容，C₂，为负载滤波电容，C_PS为变压器一、二次侧之间的耦合电容，C_AS为反相和二次侧之间的耦合电容。

线性阻抗稳定网络2接在市网电源和整流器之间，一方面用于提供稳定的50欧姆的稳定阻抗；另一方面用于分离共模噪声与差模噪声，使其变得仪器可测；另外，线性阻抗稳定网络2在市网电源和开关电源之间起到隔离的效果。在实际应用中线性阻抗稳定网络2不存在，只是在传导EMI性能测试时用到。

带等电势变压器的超强共模EMI抑制性能反激变换器4由开关管V、带反相绕组的等电势变压器和二极管VD三部分组成，其中开关管V一般用IGBT、MOSFET等全控性器件，等电势反激式变压器一次绕组的同名端与整流电路3的正极连接，异名端与开关管V连接；二次侧同名端与负载5连接，异名端与二极管VD的正极连接；反相绕组的异名端与一次绕组的同名端连接，同名端悬空不接任何电路。

图中所示的C_S非实际电容，为变压器二次绕组对设备外壳的寄生电容。

图中所示的C_PS、C_AS二也非实际电容，C_PS为一、二次侧之间的耦合电容，C_AS-，为反相绕组和二次侧之间的耦合电容。

超强共模EMI抑制性能反激式开关电源等电势变压器中EMI噪声等效电路模型如图2所示，变压器一、二次之间的耦合电容为C_PS，反相和二次侧之间的耦合电容为C_AS，由于二次绕组噪声耦合到一次绕组和反相绕组上，相对耦合电容为C_PS+C_AS,一次绕组的噪声电压为U_P,二次绕组的噪声电压为U_S,反相绕组的噪声电压为U_A。在一、二次绕组间放置一个旁路电容器C_Y提供一个电流返回路径，用于检测噪声电流，验证流经等电势变压器的共模EMI噪声的消除状况。

超强共模EMI抑制性能反激式开关电源等电势变压器绕组分布如图3所示。一次绕组紧靠变压器骨架，二次绕组在一次绕组和反相绕组中间。设一次绕组P有N_P匝,二次绕组S有N_S匝，一、二侧绕组匝数比为N_PS＝N_P/N_S，一次侧和反相绕组匝数比为N_PA＝N_P/N_A。

如果N_P＞N_S，即为降压变压器，如图2（a）和图3（a）所示。一次绕组P的噪声电压U_P比二次绕组S的噪声电压U_S更大，反相绕组A应该与二次绕组S有相同相位，即满足平衡条件：

U_P(C_PS)-U_S(C_PS+C_AS)-U_A(C_AS)＝0  (1)

其中U_P＝N_PS(U_S)＝N_PA(U_A)。

∴ $U_P\left(C_{\mathrm{PS}}\right)-\frac{U_P}{N_{\mathrm{PS}}}(C_{\mathrm{PS}}+C_{\mathrm{AS}})-\frac{U_P}{N_{\mathrm{PA}}}\left(C_{\mathrm{AS}}\right)=0$

∴ $C_{\mathrm{PS}}=\frac{1}{N_{\mathrm{PS}}}(C_{\mathrm{PS}}+C_{\mathrm{AS}})+\frac{1}{N_{\mathrm{PA}}}\left(C_{\mathrm{AS}}\right)$

∴ $C_{\mathrm{AS}}=\frac{(N_{\mathrm{PS}}-1)}{((N_{\mathrm{PS}}/N_{\mathrm{PA}})+1)}{C}_{\mathrm{PS}}---\left(2\right)$

由式（2）可知，反相绕组的耦合电容由降压变压器一次和二次侧的匝数和一、二次侧之间的耦合电容决定。

如果N_P＜N_S，即为升压变压器，如图2（b）和图3（b）所示。二次绕组S的噪声电压U_S比一次绕组P的噪声电压U_P大，反相绕组A与一次绕组P有相同相位，即满足平衡条件：

U_S(C_PS+C_AS)-U_P(C_PS)-U_A(C_AS)＝0  （3）

其中U_P＝N_PS(U_S)＝N_PA(U_A)。

∴ $\frac{U_P}{N_{\mathrm{PS}}}(C_{\mathrm{PS}}+C_{\mathrm{AS}})-U_P\left(C_{\mathrm{PS}}\right)-\frac{U_P}{N_{\mathrm{PA}}}\left(C_{\mathrm{AS}}\right)=0$

∴ $\frac{1}{N_{\mathrm{PS}}}(C_{\mathrm{PS}}+C_{\mathrm{AS}})=C_{\mathrm{PS}}+\frac{1}{N_{\mathrm{PA}}}\left(C_{\mathrm{AS}}\right)$

∴ $C_{\mathrm{AS}}=\frac{\left({1-N}_{\mathrm{PS}}\right)}{((N_{\mathrm{PS}}/N_{\mathrm{PA}})-1)}{C}_{\mathrm{PS}}---\left(4\right)$

由式（4）可知，反相绕组耦合电容由降压变压器一、二次侧匝数和一、二次侧之间的耦合电容决定。

一种超强共模EMI抑制性能的反激式开关电源等电势变压器剖视图如图4所示，降压变压器剖视图如图4（a）所示，一次绕组紧靠变压器骨架，二次绕组S在反相绕组A和一次绕组P中间，和一次绕组的绕向相反，反相绕组的方向和二次绕组的方向相同，在变压器骨架的最外端；升压变压器剖视图如图4（b）所示，一次绕组紧靠变压器骨架，二次绕组S在反相绕组A和一次绕组P中间，和一次绕组的绕向相反，反相绕组的方向和一次绕组的方向相同，在变压器骨架的最外端。

Claims (5)

1.一种超强共模EMI抑制性能的反激式开关电源，其特征在于，包括依次连接的市网电源（1）、线性阻抗稳定网络（2）、整流电路（3）和反激式变换器（4），反激式变换器（4）上还分别连接有负载（5）和EMI干扰接收机（6）。

2.根据权利要求1所述的超强共模EMI抑制性能的反激式开关电源，其特征在于，所述的反激变换器（4）由开关管V、等电势变压器和二极管VD三部分组成。

3.根据权利要求2所述的超强共模EMI抑制性能的反激式开关电源，其特征在于，所述的等电势变压器包括变压器骨架、一次绕组、二次绕组和反相绕组，一次绕组紧靠变压器骨架，二次绕组在一次绕组和反相绕组之间，反相绕组在最外侧，反向绕组的一端连入电路，另一端孤立。

4.根据权利要求1所述的超强共模EMI抑制性能的反激式开关电源，其特征在于，所述的市网电源（1）为220V/50Hz的单相交流电源。

5.根据权利要求1所述的超强共模EMI抑制性能的反激式开关电源，其特征在于，所述的整流电路（3）为单相桥式布控整流电路。

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