CN216597259U - 变压器和开关电源设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种变压器和开关电源设备，所述变压器包括骨架，所述骨架上依次绕制有原边绕组、副边绕组和辅助绕组，所述原边绕组至少包括依次绕制在所述骨架上的第一原边层、第二原边层和第三原边层，所述原边绕组的起点位于所述第二原边层的一端，所述第二原边层、所述第一原边层和所述第三原边层依次串联。相较于现有技术，本实用新型通过改变变压器绕制的结构，可抵消差模干扰和共模干扰，提高了电源的效率。

Description

变压器和开关电源设备

技术领域

本实用新型涉及一种变压器和开关电源设备，属于变压器技术领域。

背景技术

EMI是指电子产品工作会对周边的其他电子产品造成干扰。按照EMI的传播方式，可将其分为电磁传导干扰和电磁辐射干扰两大类。各种标准中都将30MHz作为分界频率，在标准定义中，传导噪声适用范围定义为低于30MHz的频率，而辐射噪声范围适用于高于30MHz的频率。传导干扰分为差模干扰和共模干扰，辐射干扰分为电场辐射干扰和磁场辐射干扰。差模噪声由变压器层间电容Cp和MOS管的漏源极电容Cds的高速开关下的充放电产生。差模电流在电源输入线之间流动，方向相反大小相同。共模干扰是由高速开关的开关管dv/dt通过对地耦合电容产生，方向相同大小不一定相同。噪声的测量是通过线路阻抗稳定网络来完成，缩写LISN。该设备一方面是隔离AC Source对电源的干扰，输入端接两个串联的1uF的电容旁路高频噪声，允许通过50/60Hz的工频电流，同时将高频噪声电流引入到一个50Ω的负载上，通过检测在此电阻上产生的电压来测量。

有鉴于此，确有必要提出一种变压器和开关电源设备，以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种变压器和开关电源设备，可降低差模干扰和共模干扰。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种变压器，包括骨架，所述骨架上依次绕制有原边绕组、副边绕组和辅助绕组，所述原边绕组至少包括依次绕制在所述骨架上的第一原边层、第二原边层和第三原边层，所述原边绕组的起点位于所述第二原边层的一端，所述第二原边层、所述第一原边层和所述第三原边层依次串联。

作为本实用新型的进一步改进，所述原边绕组还包括绕制在所述第三原边层的外侧的第四原边层，所述第二原边层、所述第一原边层、所述第三原边层和所述第四原边层依次串联。

作为本实用新型的进一步改进，所述第三原边层的电流流向与所述第一原边层的电流流向相反，所述第三原边层的电流流向与所述第二原边层的电流流向相同。

作为本实用新型的进一步改进，所述原边绕组的起点处设有与所述第二原边层的一端连接的开关单元。

作为本实用新型的进一步改进，所述原边绕组和所述副边绕组之间还设有屏蔽绕组。

作为本实用新型的进一步改进，所述原边绕组和所述屏蔽绕组之间、所述屏蔽绕组和所述副边绕组之间以及所述副边绕组和所述辅助绕组之间均设有绝缘胶带。

作为本实用新型的进一步改进，所述屏蔽绕组、所述副边绕组以及所述辅助绕组的起点均与所述原边绕组的起点位于所述骨架的同一侧。

作为本实用新型的进一步改进，所述屏蔽绕组的水平绕制长度为所述原边绕组的水平绕制长度的三分之二，所述副边绕组与所述原边绕组部分相邻。

作为本实用新型的进一步改进，所述副边绕组的起点与所述原边绕组的起点位于所述骨架的不同侧。

作为本实用新型的进一步改进，所述屏蔽绕组通过多股并绕绕制而成。

作为本实用新型的进一步改进，所述屏蔽绕组通过三股并绕绕制而成。

作为本实用新型的进一步改进，所述辅助绕组的起点与所述原边绕组的起点位于所述骨架的不同侧，所述辅助绕组的起点与所述副边绕组的起点位于所述骨架的同一侧。

作为本实用新型的进一步改进，所述骨架为卧式骨架。

为实现上述目的，本实用新型还提供了一种开关电源设备，应用如上所述的变压器。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过改变变压器绕制的结构，可抵消差模干扰和共模干扰，提高了电源的效率。

附图说明

图1是本实用新型变压器在MOS管开通时的差模电流流向示意图。

图2是本实用新型变压器在MOS管关断时的差模电流流向示意图。

图3是本实用新型变压器中屏蔽绕组部分绕制时的结构示意图。

图4是图3中副边绕组的起点设置在右侧时的结构示意图。

图5是图4中屏蔽绕组为三股绕制时的共模电流流向示意图。

图6是图5中辅助绕组的起点设置在右侧时的共模电流流向示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。

在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

如图1至图6所示，本实用新型揭示了一种变压器100，所述变压器100应用在开关电源设备中，所述变压器100可以是反激式电源变压器，所述变压器100包括骨架10以及在所述骨架10上依次绕制的原边绕组20、屏蔽绕组50、副边绕组30和辅助绕组40，所述骨架10可供绕线并用于固定所述变压器100中的磁芯，所述原边绕组20连接有开关单元，优选地，所述开关单元为MOS管。在本实用新型中，所述变压器100主要用于进行电气隔离和能量传输变换，并可抑制所述变压器100在工作过程中产生的差模干扰和共模干扰。

由于差模干扰是MOS管在高速开关时对漏极总电容的充放电di/dt形成的，MOS管在开通时漏极电压低、Vin电压高，原边绕组20层间电容充电，MOS管在关断时漏极电压高、Vin电压低，原边绕组20层间电容放电。

漏极总电容的充放电电流Ic＝C*(dv/dt)，电压是由输入和反射电压决定的不可改变，变压器100可以通过加大驱动电阻来增大，但同时会造成增大MOS开关的损耗。所以主要需要从减小漏极总电容上去考虑。

漏极总电容包括变压器100原边电容Cp、MOS管的漏源极电容Cds、RCD吸收二极管结电容和C串联的总电容、副边二极管结电容的反射等效电容等。但占主导的是变压器100的原边电容Cp和MOS的漏源极电容Cds，MOS管的Cds是器件的固有参数且无法改变，并且因为开通时的放电是对MOS寄生直流阻抗Rds_on，而该回路只在MOS管内部流动，因此MOS管的Cds只参与MOS关断时的充电电流。同时，一定大小的Cds除了有助于降低开关时的dv/dt还有助于降低关断损耗。

因此，需要从变压器100原边电容Cp上去考虑减小差模电流，而变压器100原边电容Cp包括原边的匝间电容和层间电容。由于匝间电容串联，每层的匝数较多，所以总的匝间串联电容很小，但原边一般最多绕制有3-4层，所以总的层间串联电容才是主导。

因此需要降低层间电容，而降低层间电容最有效的方式就是使用骨架10较宽的立式骨架10，较佳地，原边绕组20可在立式骨架10上单层平绕，以此消除层间电容。但由于立式骨架10的高度较高，随着开关电源设备的小型化并受体积、成本和高度限制，优选使用卧式骨架10，由于卧式骨架的高度较矮，可使得开关电源设备能够进一步趋向小型化，实现高密度、小体积和超薄的要求。但是由于卧式骨架10的槽宽较小，原边绕组20需要在所述骨架10上绕制更多层。

作为本实用新型的优选实施例，以原边绕组20绕制3层，副边绕制1层为例，将图示的左侧作为绕制的起点，所述原边绕组20设置在最内侧且贴近所述骨架10起绕，绕制3层后在所述原边绕组20的外侧绕制所述屏蔽绕组50，所述屏蔽绕组50绕制单层，所述副边绕组30绕制在所述屏蔽绕组50的外侧，所述辅助绕组40在所述副边绕组30外侧绕制单层。需要进行说明的是，所述屏蔽绕组50用于减小原副边耦合电容Cps和副原边电容Csp，同时增大原副边耦合高频阻抗，并将本来流入副边的共模电流旁路到原边，作为有效差模能量参与能量转换以提高效率，从而减小干扰。所述屏蔽绕组50可以屏蔽原边绕组20也可以屏蔽副边绕组30，或者原边绕组20和副边绕组30共同屏蔽。由于原边绕组20的MOS电压Vds变化比副边绕组30的二极管电压Vd要大，原副边电容Cps也远大于副原边电容Csp，优选地，所述屏蔽绕组50为铜箔屏蔽以增强屏蔽效果，但成本高且会使原副边漏感变得很大，当然也可使用绕组屏蔽以减小成本。所述辅助绕组40整层疏绕，在最外侧起到屏蔽作用。

如图1和图2所示，具体地，所述原边绕组20由第一导线绕制而成，包括依次绕制在所述骨架10上的第一原边层、第二原边层和第三原边层，所述第一原边层绕制在最内侧，所述第一原边层以所述骨架10的左侧为起点，从第一导线的非起点位置处挂脚后向右开始绕制，待平绕至最右侧时挂脚后开始绕制所述第二原边层，所述第二原边层自所述骨架10的右侧向左侧绕制，待所述第二原边层平绕至最左侧时挂脚后与所述开关单元相连，即将第一导线的起点设置在所述第二原边层的一端，然后，将第一导线的另一部分在所述第二原边层外侧绕制所述第三原边层，所述第三原边层自所述骨架10的左侧向右侧绕制。需要进行说明的是，所述非起点位置将所述第一导线划分为第一端和第二端，其中，第一端用于绕制所述第一原边层和所述第二原边层，第二端用于绕制所述第三原边层，但不以此为限。

如此绕制，使得所述第二原边层、所述第一原边层和所述第三原边层依次串联，所述第三原边层的一端连接有输入端Vin，以将电流依次通过所述第三原边层、所述第一原边层和所述第二原边层流向所述开关单元，以图1为例，电流在所述第三原边层中自右侧的输入端Vin朝左侧流向所述第一原边层，并在所述第一原边层中自左向右流动后至第二原边层，在第二原边层中自右向左流向MOS管，即，所述第三原边层的电流流向与所述第一原边层的电流流向相反，所述第三原边层的电流流向与所述第二原边层的电流流向相同。当然，在本实用新型的其他实施例中，所述原边绕组20绕制的层数至少为3层，所述原边绕组20还包括绕制在所述第三原边层的外侧的第四原边层，所述第二原边层、所述第一原边层、所述第三原边层和所述第四原边层依次串联，所述第四原边层的电流流向与所述第一原边层的电流流向相同，当设置有更多层时，依次在所述第四原边层外绕制即可，具体可根据需要进行设置，在此不做任何限制。

在本实用新型的其他实施例中，所述第三原边层的周向绕制方向与所述第一原边层的周向绕制方向相反，所述第一原边层的周向绕制方向与所述第二原边层和所述第四原边层的周向绕制方向相同。同样以图1为例，从骨架10的左侧来看，第一导线从骨架10的左下角开始，以垂直于纸面向外的方向，即所述第一原边层顺时针朝右绕制在所述骨架10上，所述第二原边层同样也是以垂直于纸面向外的方向，即顺时针向左绕制在所述第一原边层上，所述第三原边层以垂直于纸面向里的方向，即逆时针向右绕制在所述第二原边层上。

在本实用新型的其他实施例中，所述原边绕组20还包括绕制在所述第三原边层的外侧的第四原边层，所述第四原边层以垂直于纸面向外的方向，即顺时针向左绕制在所述第三原边层上。可以理解的是，所述第一原边层也可以逆时针绕制在所述骨架10上，所述第二原边层逆时针绕制在所述第一原边层上，所述第三原边层顺时针绕制在所述第二原边层上，所述第四原边层逆时针绕制在所述第三原边层上。

在本实用新型的其他实施例中，所述原边绕组20和所述屏蔽绕组50之间、所述屏蔽绕组50和所述副边绕组30之间和所述副边绕组30和所述辅助绕组40之间均设有绝缘胶带11。较佳地，在本实施例中，所述屏蔽绕组50、所述副边绕组30和所述辅助绕组40的起点均位于所示骨架10的左侧，即，与所述原边绕组20的起点位于所述骨架10的同一侧。

如图3至图6所示，由于共模干若是由MOS管在高速开关时的dv/dt产生并通过对地耦合电容流入大地再进入输入线被线路阻抗稳定网络LISN检测到，噪声源为dv/dt，传播路径是对地耦合电容。而Ci是原边绕组20的起点对输入线的电容，通过远离输入线可减小Ci；Ct是原边绕组20的起点磁芯的电容，通过磁芯对大地的电容流入大地，可在磁芯包铜减小Ct；Cd是原边绕组20的起点对大地的电容，需要减短漏极走线以减小Cd；原副边耦合电容Cps是原边对副边的电容，此电容容量较大，且原边的dv/dt更大；副原边电容Csp是副边起点对原边静点的电容，此电容容量相对较小且副边的dv/dt较小，加大该电容可实现共模电流回流以实现抵消；Co是副边对大地的电容，由于Cps较大，大部分共模电流会流入次级。

如图3所示，在本实用新型的较佳实施例中，可通过减小Cps和Ct并增大Csp，以抑制共模干扰。具体地，在前述实施例的基础上，所述屏蔽绕组50的水平绕制长度为所述原边绕组20的水平绕制长度的三分之二，所述屏蔽绕组50的起点不变且依旧靠近所述骨架10的左侧，所述屏蔽绕组50在绕至所述原边绕组20的水平绕制长度的三分之二时截止，所述副边绕组30在所述屏蔽绕组50的基础上继续绕制，当绕至所述原边绕组20的水平绕制长度的三分之二时，所述副边绕组30从所述屏蔽绕组50上向所述原边绕组20进行绕制，使得所述副边绕组30与所述原边绕组20部分相邻，并继续绕制至右侧终点，所述辅助绕组40在所述副边绕组30的基础上进行绕制，且绕制方式与原有方式相同。可以看出，所述副边绕组30和所述辅助绕组40在左侧三分之二的部分与前述实施例的绕制结构相同，而右侧三分之一的部分相较于左侧三分之二的部分错位下沉。如此设置，可使原边绕组20通过Cps流入副边的共模电流能够回流到原边绕组20作为差模能量参与能量循环，不仅实现了共模抵消还能够提高效率同时，加大了原副边的耦合面积并减小漏感。需要进行说明的是，所述屏蔽绕组50绕至所述原边绕组20的水平绕制长度的三分之二位置处并不严格进行限定，实际位置需要以电磁干扰测试为准，可通过多绕几圈或少绕几圈进行数值补偿。

如图4所示，进一步地，在上述实施例的基础上，所述副边绕组30的起点位于所述骨架10的右侧，即，与所述原边绕组20的起点位于所述骨架10的不同侧。由于所述屏蔽绕组50在绕制三分之二时，所述骨架10右侧的原边绕组20和副边绕组30直接通过副边绕组30的静点相接触，且静点上的电荷较小，因此，可将所述副边绕组30的起点调整到右侧以加大Csp，同时减小了Cps。

如图5所示，更进一步地，所述屏蔽绕组50可通过多股并绕绕制而成，由于屏蔽绕组50一边接地，另一边悬空，MOS管在开关时会在另一边感应出一个很高的电压，该电压会增强干扰甚至抵消掉屏蔽绕组50的屏蔽效果。较佳地，所述屏蔽绕组50通过三股粗线并绕，如此可减小绕制的匝数，只需要几圈就可绕到所述骨架10的三分之二的位置处，可以大幅降低悬空一头的电压，减小屏蔽绕组50的固有缺陷。

在上述实施例中，由于所述原边绕组20和所述辅助绕组40的共模电流都是流向副边绕组30，导致流入副边绕组30的电流很大。

如图6所示，因此，在上述实施例的基础上，所述辅助绕组40的起点可以位于所述骨架10的右侧，即，与所述原边绕组20的起点位于所述骨架10的不同侧，相当于所述辅助绕组40的起点与所述副边绕组30的起点位于所述骨架10的同一侧。如此设置使得共模电流的从原边绕组20流向副边绕组30，继而从副边绕组30流向辅助绕组40，这样就实现了共模电流的抵消。

本实用新型还提供了一种变压器绕制方法，所述变压器100包括骨架10以及由第一导线绕制在所述骨架10上所形成的原边绕组20，主要包括以下步骤：

S1、将第一导线的第一端预留出一段，从第一导线的非起点位置处开始绕制第一原边层；

S2、将第一导线第一端的预留部分绕在第一原边层外以形成第二原边层；

S3、将第一导线的第二端绕制在第二原边层外形成第三原边层；

S4、将第二导线绕制在原边绕组外侧以形成副边绕组。

在上述实施例中，所述第三原边层的外侧还可以设置更多绕组，但所述第二原边层始终连接开关单元，所述原边绕组20的最外层与输入端相连。

综上所述，本实用新型通过改变变压器100绕制的结构，可抵消差模干扰和共模干扰，提高了电源的效率。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.一种变压器，其特征在于：包括骨架，所述骨架上依次绕制有原边绕组、副边绕组和辅助绕组，所述原边绕组至少包括依次绕制在所述骨架上的第一原边层、第二原边层和第三原边层，所述原边绕组的起点位于所述第二原边层的一端，所述第二原边层、所述第一原边层和所述第三原边层依次串联。

2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于：所述原边绕组还包括绕制在所述第三原边层的外侧的第四原边层，所述第二原边层、所述第一原边层、所述第三原边层和所述第四原边层依次串联。

3.根据权利要求2所述的变压器，其特征在于：所述第三原边层的电流流向与所述第一原边层的电流流向相反，所述第三原边层的电流流向与所述第二原边层的电流流向相同。

4.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于：所述原边绕组的起点处设有与所述第二原边层的一端连接的开关单元。

5.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于：所述原边绕组和所述副边绕组之间还设有屏蔽绕组。

6.根据权利要求5所述的变压器，其特征在于：所述原边绕组和所述屏蔽绕组之间、所述屏蔽绕组和所述副边绕组之间以及所述副边绕组和所述辅助绕组之间均设有绝缘胶带。

7.根据权利要求5所述的变压器，其特征在于：所述屏蔽绕组、所述副边绕组以及所述辅助绕组的起点均与所述原边绕组的起点位于所述骨架的同一侧。

8.根据权利要求5所述的变压器，其特征在于：所述屏蔽绕组的水平绕制长度为所述原边绕组的水平绕制长度的三分之二，所述副边绕组与所述原边绕组部分相邻。

9.根据权利要求8所述的变压器，其特征在于：所述副边绕组的起点与所述原边绕组的起点位于所述骨架的不同侧。

10.根据权利要求9所述的变压器，其特征在于：所述屏蔽绕组通过多股并绕绕制而成。

11.根据权利要求10所述的变压器，其特征在于：所述屏蔽绕组通过三股并绕绕制而成。

12.根据权利要求10所述的变压器，其特征在于：所述辅助绕组的起点与所述原边绕组的起点位于所述骨架的不同侧，所述辅助绕组的起点与所述副边绕组的起点位于所述骨架的同一侧。

13.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于：所述骨架为卧式骨架。

14.一种开关电源设备，其特征在于：应用如权利要求1-13中任一项所述的变压器。

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