DE102016106248A1

DE102016106248A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kopplungsaufhebung

Info

Publication number: DE102016106248A1
Application number: DE102016106248.0A
Authority: DE
Inventors: Mohamed ELSHAER; Chingchi Chen
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2016-04-06
Publication date: 2016-10-13
Also published as: MX2016004398A; RU2016110875A3; US9825522B2; RU2698110C2; CN106059273A; US20160301300A1; MX358273B; RU2016110875A

Abstract

Ein Leistungsgleichspannungswandler enthält eine Schaltschaltung und einen LC-Filter, der dazu ausgelegt ist, parasitäre Induktanz zu reduzieren. Der LC-Filter enthält einen Induktor, einen Kondensator und eine Spule, die in Bezug auf den Kondensator positioniert und ausgerichtet ist und mit ihm elektrisch verbunden ist. Die mit dem Kondensator positionierte Spule stellt bereit, dass der Welligkeitsstrom, der durch den Betrieb des Schaltschaltkreises bewirkt wird, durch den Kondensator und die Spule in entgegengesetzter Richtung fließt. Der Welligkeitsstrom, der durch die Spule fließt, dämpft ein Magnetfeld, das vom Kondensator erzeugt wird, während er die parasitäre Induktanz des Kondensators reduziert.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf elektrische Rauschfilterung und insbesondere auf das Filtern von hochfrequentem Rauschen aus elektrischen Schaltungen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Fahrzeugleistungswandler, wie zum Beispiel Leistungsgleichspannungswandler, können während des Betriebs Rauschen erzeugen. Passive Filter, wie zum Beispiel LC-Filter, können verwendet werden, um dieses Rauschen zu reduzieren, können aber Kosten-, Gewichts- und Einbauplatzprobleme mit sich bringen.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein Leistungsgleichspannungswandler enthält eine Schaltschaltung und einen LC-Filter, der dazu ausgelegt ist, parasitäre Induktanz zu reduzieren. Der LC-Filter enthält eine Induktivität, einen Kondensator und eine Spule, die in Bezug auf den Kondensator positioniert und ausgerichtet ist und mit ihm elektrisch verbunden ist. Die mit dem Kondensator positionierte Spule sorgt dafür, dass der Welligkeitsstrom, der durch den Betrieb des Schaltschaltkreises bewirkt wird, durch den Kondensator und die Spule mit entgegengesetzter Richtung fließt. Der Welligkeitsstrom, der durch die Spule fließt, dämpft ein Magnetfeld, das vom Kondensator erzeugt wird, während er die parasitäre Induktanz des Kondensators reduziert.
Ein LC-Filter enthält eine Induktivität, einen Kondensator und eine Spule, die elektrisch in Reihe verbunden und auf dem Kondensator gestapelt ist. Die Spule kann eine vordefinierte Windungsanzahl und einen Durchmesser aufweisen, der auf einer Größe des Kondensators basiert. Die Spule kann mit dem Kondensator positioniert und zu ihm ausgerichtet sein, um einen durch den Kondensator und die Spule fließenden Welligkeitsstrom in entgegengesetzte Richtungen zu leiten. Der in entgegengesetzte Richtungen fließende Welligkeitsstrom führt zu einem Magnetfeldversatz zwischen dem Kondensator und der Spule, um eine parasitäre Induktanz des Kondensators zu reduzieren.
Es wird ein Verfahren zum Dämpfen eines Magnetfelds in einem mit einem LC-Filter ausgelegten Leistungswandler bereitgestellt. Das Verfahren kann ein Magnetfeld dämpfen, das von einem Kondensator des LC-Filters erzeugt wird, indem eine Induktivität und eine Spule des LC-Filters dazu ausgelegt werden, einen Welligkeitsstrom aus dem Kondensator zur Spule zu leiten. Das Verfahren leitet den Welligkeitsstrom so, dass er durch den Kondensator und die Spule in entgegengesetzte Richtungen fließt, um parasitäre Induktivität des Kondensators zu reduzieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein elektrischer Schaltplan zum Messen von Beiträgen des Eigenparasitismus zur Filterdämpfung einer oder mehrerer Komponenten eines LC-Filters;
2A–2C sind Diagramme, die Eigenparasitismus, Eingangs- und Ausgangsimpedanzen und Eingangs-Ausgangs-Dämpfung der LC-Filterkomponenten aus 1 veranschaulichen;
3 ist eine LC-Filterschaltungstopologie mit einer Spule zwischen einem Induktor und einem Kondensator;
4 sind Diagramme, die den LC-Filter mit und ohne die Spule zwischen der Induktivität und dem Kondensator zeigen;
5 sind Diagramme, die eine Kondensatorimpedanz des LC-Filters mit und ohne die Spulenanordnung zeigen;
6 ist ein Schaltungsaufbau, bei dem die Kondensatorzweig-Äquivalenzschaltung 102 verwendet wird, um die durch Kopplung M₁ der Spule erzeugte Kondensatorimpedanz zu berechnen; und
7 ist ein Diagramm, das veranschaulicht, dass die Spule die Dämpfung für eine Schaltung verbessert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich allerdings, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und dass andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details spezieller Komponenten zu zeigen. Die hier offenbarten, spezifischen strukturellen und funktionalen Details sollen daher nicht als beschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die Ausführungsformen auf verschiedene Weise einzusetzen sind. Wie Durchschnittsfachleute verstehen werden, können verschiedene, mit Bezug auf jede der Figuren veranschaulichte und beschriebene Merkmale mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen herzustellen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten allerdings für spezielle Anwendungen oder Umsetzungsformen verlangt werden.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen im Allgemeinen mehrere Schaltungen oder andere elektrische Einrichtungen bereit. Es ist beabsichtigt, dass alle Bezüge auf die Schaltungen und andere elektrische Einrichtungen und die durch jede von ihnen bereitgestellte Funktionalität nicht darauf eingeschränkt sind, nur das hier Veranschaulichte und Beschriebene zu umfassen. Obwohl spezielle Bezeichner den verschiedenen offenbarten Schaltungen oder anderen elektrischen Einrichtungen zugeordnet sein können, ist nicht beabsichtigt, dass solche Bezeichner den Betriebsumfang für die Schaltungen und die anderen elektrischen Einrichtungen einschränken. Solche Schaltungen und andere elektrische Einrichtungen können auf Basis der speziellen Art der verlangten elektrischen Umsetzungsform miteinander kombiniert und/oder auf irgendeine Art und Weise getrennt werden. Es wird anerkannt, dass jede hier offenbarte Schaltung oder andere elektrische Einrichtung irgendeine Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltungen, Speichereinrichtungen (z. B. Flash, Direktzugriffspeicher (RAM, Random Access Memory), Nur-Lese-Speicher (ROM, Read Only Memory), elektrisch programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM, Electrically Programmable Read Only Memory), elektrisch löschbarer PROM (EEPROM, Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) oder andere geeignete Varianten davon) und Software enthalten kann, die miteinander zusammenwirken, um die hier offenbarte(n) Operation(en) durchzuführen. Zusätzlich kann irgendeine oder mehrere der elektrischen Einrichtungen dazu ausgelegt sein, ein Computerprogramm auszuführen, das in einem nichtflüchtigen, computerlesbaren Medium verwirklicht ist, das dazu programmiert ist, irgendeine Anzahl der Funktionen wie offenbart durchzuführen.
Die Offenbarung stellt eine kostengünstige Lösung dar, um Filtern von Rauschen auf einer Stromschiene zu verbessern. In einem elektrischen Fahrzeugsystem können ein Gleichtaktrauschen und ein Gegentaktrauschen auf Basis einer oder mehrerer Leistungsversorgungen erzeugt werden. Das elektrische Fahrzeugsystem kann Eingangs- und/oder Ausgangsfilter verwenden, um das Rauschen aus der einen oder den mehreren Leistungsversorgungen zu dämpfen. Die Eingangs- und Ausgangsfilter können eine verminderte Leistungsfähigkeit aufweisen, was auf Komponenten-Eigenparasitismusbeiträgen und/oder Kopplung zwischen Filterkomponenten und anderen Komponenten in der Schaltung in direkter Nähe zum Filter basiert. Ein Filteraufbau kann zusätzliche Komponenten erfordern, um die durch das von Schaltschaltkreisen erzeugte Rauschen bewirkte, verminderte Leistungsfähigkeit zu vermeiden. Die zusätzlichen Komponenten und/oder die Größenzunahme von Komponenten können eine Erhöhung der Kosten des Filters bewirken. Zum Beispiel können die Komponenten des Filters bei hohen Frequenzen die Induktanzen auf Basis der induktiven Kopplung zwischen einer parasitären Induktanz eines Kondensators und der Stromschiene beeinflussen.
Der vorgeschlagene Aufbau dient dazu, eine Tiefpassfilter-(LC-Filter-)Anordnung zu verwenden, um die Filterleistungsfähigkeit in einem Leistungswandlungssystem zu verbessern. Die Filteranordnung ist dazu konzipiert, die induktive Kopplung zwischen der Stromschiene und dem Kondensator für einen Tiefpass-LC-Filter zu verringern. Die Schaltungsanordnung bringt negative Kopplung zwischen der Stromschiene, die die Induktivität mit dem Kondensator verbindet, und der parasitären Induktanz des Kondensators ein. Die negative Kopplung kann negative Induktanz in den Kondensatorzweig einbringen. Die negative Kopplung kann die parasitäre Induktanz des Kondensatorzweigs minimieren. Die Verwendung einer zusätzlichen Unduktivität und eines größeren Kondensators mit dem LC-Filter kann die induktive Kopplung zwischen der parasitären Induktanz des Kondensators und der Stromschiene aufheben. Die Filteranordnung kann nach seiner Grenzfrequenz die Eingangsimpedanz des Filters maximieren und die Ausgangsimpedanz des Filters minimieren.
Bei hohen Frequenzen verringert zum Beispiel eine Induktorkapazitanz die Filtereingangsimpedanz, was bewirkt, dass die Ausgangsimpedanz nur durch die Kondensatorzweigimpedanz gesteuert wird. Somit fungiert die parasitäre Induktanz des Kondensators bei hoher Frequenz als eine Antenne und koppelt Rauschen aus der Induktorstromschiene ein. Um die Eingangsimpedanz des Filters zu maximieren, verwendet die vorgeschlagene Filteranordnung die zusätzliche Induktivität in Reihe mit dem Ausgangskondensator. Die zusätzliche Induktivität erhöht die Ausgangsimpedanz. Um zu entkoppeln, stellt die Filteranordnung daher bereit, dass der größere Kondensator ein Magnetfeld von entgegengesetzter Richtung und gleicher Phase, wie das durch ihn laufende Magnetfeld, bereitstellt.
Eine elektrische/elektronische Fahrzeugkomponente und/oder -Subsystem wird auf Basis einer oder mehrerer Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) konzipiert. Die EMV-Anforderungen stellen sicher, dass die Komponente und/oder das Subsystem einen vordefinierten Schwellenwert für Rauschen nicht überschreiten oder in ihm liegen. Eine Komponente, die einen vordefinierten Schwellenwert für Rauschen überschreitet, kann die Leistungsfähigkeit anderer Komponenten und/oder Subsysteme beeinflussen.

Zum Beispiel kann ein Leistungsgleichspannungswandler auf Basis der nachstehend gezeigten EMV-Anforderungen geregelt werden:

Band #	RF-Dienst	Frequenzbereich (MHz)	Grenzwerte
Band #	RF-Dienst	Frequenzbereich (MHz)	Mittelwert (dBuV)	Quasispitze (dBuV)
EU1	Langwelle (LW)	0,15–0,28	77	89
G1	Mittelwelle (AM)	0,53–1,7	54	66
JA1	FM 1	76–90	-	36
G3	FM 2	87,5–108	-	36

Tabelle 1

Wie in Tabelle 1 gezeigt wird, arbeitet die Mittelwellen-(AM-)Hochfrequenz (RF) in einem Bereich von 0,53 bis 1,7 MHz (Megahertz) bei 54 dBuV (Dezibel in Bezug auf ein Mikrovolt). Daher kann der Wandler, der Rauschen in einem Frequenzbereich von 0,53 MHz und 54 dBuV erzeugt, Interferenzen zur AM-Frequenz bewirken. Der Wandler kann mit dem Filter gekoppelt werden, um das Rauschen zu reduzieren und/oder im Wesentlichen zu beseitigen. Der Filter wird verwendet, um unerwünschte Frequenzkomponenten aus dem Signal zu entfernen, erwünschte zu verbessern oder beides.
Der Filter (z. B. ein LC-Tiefpassfilter) kann sicherstellen, dass die elektrische/elektronische Komponente nicht den RF-Dienst anderer Komponenten und/oder Subsysteme störend beeinflusst. Bevor ein Tiefpassfilter mit der elektrischen/elektronischen Komponente gekoppelt wird, kann eine Analyse durchgeführt werden, um zu bestimmen, welche Filtergröße benötigt wird, um unerwünschte Frequenzen zu entfernen. Zum Beispiel kann der Tiefpassfilter mit einem Kopplungsaufbau (z. B. der Spule) auf Basis eines LC-Filtermodells erstellt werden, um Filterdämpfung auf Basis von Beiträgen der Komponenten zu bestimmen, wie in 1 gezeigt wird.
1 ist ein elektrischer Schaltplan 100 zum Messen von Beiträgen des Komponenten-Eigenparasitismus zur Filterdämpfung einer oder mehrerer Komponenten des LC-Filters. Der elektrische Schaltplan 100 umfasst den LC-Filter 101 mit einer Kondensatorersatzschaltung 102 und einer Induktorersatzschaltung 104. Die Induktorersatzschaltung 104 und die Kondensatorersatzschaltung 102 sind zur Bildung des LC-Filters 101 ausgelegt. Der LC-Filter 101 ist, als ein Tiefpassfilter, dazu ausgelegt, Signale mit Frequenzen über einer Grenzfrequenz zu dämpfen. Die Kondensatorersatzschaltung 102 enthält einen Kondensator C_self 106, einen Induktor (Induktivität) L_ESL 108 und einen Widerstand R_ESL 110 in Reihe miteinander. Der Induktor L_ESL 108 stellt die parasitäre Induktanz des Kondensators 102 des LC-Filters 101 dar. Die Induktorersatzschaltung 104 (z. B. eine Dämpfungsschaltung) enthält einen Induktor (Induktivität) L_Self 112, einen Kondensator C_tt 114 und einen Widerstand R_Core 116, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Induktivität L_Self 112 ist die Eigeninduktanz der Induktorersatzschaltung 104. Der Kondensator C_tt 114 ist die verflochtene Kapazitanz des LC-Filter-Induktors. Die Induktorersatzschaltung 104 und die Kondensatorersatzschaltung 102 sind zum Messen der Filterdämpfung des LC-Filters 101 ausgelegt.
Der elektrische Schaltplan 100 ist eine Schaltung 100, die eine Spannungsquelle 118 enthält, um das in das LC-Filter 101 injizierte Rauschen zu simulieren. Die Schaltung 100 enthält weiterhin die Quellenimpedanz 120, die die Rauschquellenimpedanz modelliert. Der LC-Filter 101 kann dazu ausgelegt sein, durch diese Rauschquelle erzeugte Frequenzen zu filtern. Der Aufbau des LC-Filters 101 kann die Größe des Induktors 112 und des Kondensators 106 auf Basis der Magnitude des erzeugten Rauschens und des gewünschten Pegels der Dämpfung erhöhen. Das LC-Filter 101 wird durch eine Lastimpedanz 122 belastet. Die Lastimpedanz 122 stellt die Ausgangsimpedanz Z_out 128 der Schaltung 100 über einer zweiten Spannung V₂ 130 bereit. Die Leistungsfähigkeit des LC-Filters 101 kann durch Berechnen des Spannungsverhältnisses der zweiten Spannung V₂ 130 zu einer ersten Spannung V₁ 126 charakterisiert werden. Die Leistungsfähigkeit des LC-Filters 101 wird in den Diagrammen in den 2A–2C veranschaulicht.
Die Induktorersatzschaltung 104 kann Verschlechterungsdaten zur Analyse der Leistungsfähigkeit des LC-Filters 101 bereitstellen, so dass die Verschlechterung zur Filterdämpfung gezeigt wird, die auf ihre Eigenparasitismen zwischen dem Induktor L_Self 112 und dem Kondensator C_tt 114 zurückzuführen ist. Zum Beispiel kann die Leistungsfähigkeit des Filters 101 durch Maximieren der Eingangsimpedanz Z_in 124 des Induktors L_ESL 108 und des Kondensators C_self 106 auf Basis einer ersten Resonanzfrequenz f₁ verbessert werden, wie nachstehend in Gleichung (1) gezeigt wird. Wie in 1 gezeigt wird, liegt die Eingangsimpedanz Z_in 124 der Schaltung 100 über der ersten Spannung V₁ 126.
Die Schaltung 100 stellt die Variablen zum Berechnen der Komponenten-Eigenparasitismusbeiträge bereit, die Filterdämpfung bewirken können. Auf Basis der Schaltung 100 kann die Resonanzfrequenz für den LC-Filter 101 auf Basis der folgenden Gleichungen berechnet werden:
2A beinhaltet zwei Diagramme 201, 203, die die Eingangsimpedanz Z_in 124 des elektrischen Schaltplans 100 über der ersten Spannung V₁ 126 veranschaulichen. Die Diagramme 201, 203 weisen eine x-Achse auf, die die Frequenz 202 darstellt, und eine y-Achse, die die Magnitude 206 bzw. die Phase 204 darstellt. Ein Magnitudendiagramm 201 veranschaulicht die Magnitude 208 der Eingangsimpedanz Z_in 124 über einem Frequenzbereich. Wie im Magnitudendiagramm 201 veranschaulicht wird, beginnt sich die Leistung der Eingangsimpedanz Z_in 124 auf Basis des Kondensators C_tt 114 zu verschlechtern. Wie im Diagramm 201 gezeigt wird, modelliert die Magnitude 213 des Kondensators C_tt 114 die verflochtene Kapazitanz des Induktors 104. Diese Kapazitanz erscheint parallel zur Induktanz des Induktors, was bewirkt, dass eine Resonanz bei einer dritten Resonanzfrequenz f₃ mit einem Wert von ungefähr 10⁷ Hz auftritt, wie er oben in der Gleichung (3) berechnet wird. Für Frequenzen über der dritten Resonanzfrequenz f₃ wird die Eingangsimpedanz Z_in 124 von der Impedanz von C_tt 114 dominiert. Somit wird die hochfrequente Leistung verschlechtert, wie durch die Magnitude 208 der Eingangsimpedanz Z_in 124 veranschaulicht wird.
Die Magnitude 208 der Eingangsimpedanz beginnt, sich bei einer hohen Frequenz zu verringern 210. Das Phasendiagramm 203 veranschaulicht eine Phase 212 der Eingangsimpedanz über einem Frequenzbereich. Wie im Diagramm 203 gezeigt wird, wird die Phase bei der dritten Frequenz f₃ (ungefähr 10⁷ Hz) von positiven neunzig Grad zu negativen neunzig Grad geändert, was angibt, dass die Eingangsimpedanz kapazitiv ist und von der Impedanz von C_tt 114 dominiert wird.
2B beinhaltet zwei Diagramme 205, 207, die die Ausgangsimpedanz Z_out 128 des elektrischen Schaltplans 100 über der zweiten Spannung V₂ 130 veranschaulichen. Die Diagramme 205, 207 weisen eine x-Achse auf, die die Frequenz 202 darstellt, und eine y-Achse, die die Magnitude 206 bzw. die Phase 204 darstellt. Ein Magnitudendiagramm 205 veranschaulicht eine Magnitude 214 der Ausgangsimpedanz Z_out über einem Frequenzbereich. Wie im Magnitudendiagramm 205 veranschaulicht wird, beginnt sich die Leistung der Ausgangsimpedanz 128 auf Basis der Magnitude 217 des C_tt 114, die die Eigenimpedanz des Induktors modelliert, zu verschlechtern. Die LC-Filterdämpfung kann durch Minimieren der Ausgangsimpedanz auf Basis von Reduzieren der Induktanz im Kondensatorzweig verbessert werden.
Die Magnitude 214 der Ausgangsimpedanz Z_out beginnt, sich bei einer hohen Frequenz zu erhöhen, nachdem der Kondensator 106 mit dem Induktor 108 bei einer zweiten Resonanzfrequenz f₂ in Resonanz ist, die ein Wert größer als 10⁵ Hz ist, wie oben durch Gleichung (2) berechnet worden ist. Das Phasendiagramm 207 veranschaulicht eine Phase 216 der Ausgangsimpedanz Z_out über einem Frequenzbereich. Wie im Diagramm 207 gezeigt wird, tritt die Phasenverschiebung des LC-Filters 101 (von negativen neunzig Grad zu positiven neunzig Grad) bei einer relativ niedrigen Frequenz auf. Die Phasenverschiebung veranschaulicht, wann die Induktanz des Kondensatorzweigs mit der Eigenkapazitanz des Kondensators 102 in Resonanz ist. Zum Beispiel veranschaulicht die Phase 216 der Ausgangsimpedanz Z_out, dass der Kondensator C_self 106 im LC-Filter 101 über der zweiten Resonanzfrequenz f₂ nicht mehr arbeitet, was daher zur Verschlechterung in der Filterdämpfung führt.
Die Hochfrequenzdämpfung des LC-Filters 101 kann verbessert werden, indem die Resonanz zwischen der parasitären Induktanz des Kondensators und seiner parasitären Kapazitanz beseitigt wird, die bei der zweiten Frequenz f₂ auftritt. Somit wird die Ausgangsimpedanz 128 des LC-Filters bei einer hohen Frequenz maximiert.
2C beinhaltet zwei Diagramme 209, 211, die eine gemessene Filterdämpfung des LC-Filters 101 veranschaulichen. Die Diagramme 209, 211 veranschaulichen die Leistung des LC-Filters 101 bei unterschiedlichen Frequenzen. Die Diagramme 209, 211 weisen eine x-Achse auf, die die Frequenz 202 darstellt, und eine y-Achse, die die Magnitude 206 bzw. die Phase 204 darstellt. Die gemessene Filterdämpfung wird, wie in 1 gezeigt wird, durch die Anordnung des LC-Filters erfasst.
Ein Magnitudendiagramm 209 veranschaulicht eine Magnitude 218 der Filterdämpfung über einem Frequenzbereich. Wie im Magnitudendiagramm 209 veranschaulicht wird, stellen die erste (f₁) 220, zweite (f₂) 222 und dritte (f₃) Resonanzfrequenz 224 Rauschen bereit, das die Magnitude 218 der Filterdämpfung beeinflusst, wie sie oben auf Basis der Gleichungen (1) bis (3) berechnet werden. Die Magnitude 218 der Filterdämpfung zeigt an, dass die Dämpfung bei höheren Frequenzen stattfindet. Die Induktanz des Kondensatorzweigs (Induktor L_ESL 108 und Widerstand C_self 106) ist mit der Eigenkapazitanz des Kondensators in Resonanz, wie in der zweiten (f₂) Resonanzfrequenz 222 veranschaulicht wird. Das Ergebnis der zweiten (f₂) Resonanzfrequenz 222 ist Verschlechterung in der Filterdämpfung in der Langwelle, die die AM- und FM-Bänder störend beeinflusst, wie in Tabelle 1 gezeigt wird. Die effektive Parallelkapazitanz des Induktors ist bei der dritten (f₃) Resonanzfrequenz 224 in Resonanz mit der Eigeninduktanz des Induktors. Die dritte (f₃) Resonanzfrequenz 224 führt zur Verschlechterung in der Filterdämpfung im FM-Band, wie in Tabelle 1 gezeigt wird.
Das Phasendiagramm 211 veranschaulicht eine Phase 226 der Filterdämpfung über einem Frequenzbereich. Wie im Diagramm 211 gezeigt wird, gibt die Phase 226 der Filterdämpfung an, dass die effektive Induktanz des Kondensators eine kritische Komponente für die Filterleistung ist.
Als Reaktion darauf, dass die Filterleistung bei hohen Frequenzen verschlechtert wird, und die Tatsache, dass die effektive Induktanz des Kondensators eine Komponente für die Filterleistung ist, ist eine verbesserte elektrische Schaltungstopologie erforderlich, um das übermäßige Rauschen abzuschwächen. Der Filteraufbau kann eine zusätzliche Kapazitanz und/oder Induktanz für den Kondensatorzweig des LC-Filters auf Basis des überschüssigen Rauschens beinhalten. Das Hinzufügen eines größeren Kondensators und/oder Induktors kann die Kosten des LC-Filters erhöhen. Anstelle der zusätzlichen Kapazitanz und Induktanz kann eine Schaltungstopologie mit einer Spule, die elektrisch mit dem Kondensator gekoppelt ist und sich zwischen dem Induktor und dem Kondensator befindet, das Rauschen wesentlich reduzieren.
3 ist eine LC-Filterschaltungstopologie 300 mit einem Induktor 308, einem Kondensator 306 und einer Spule 312, die mit dem Kondensator 306 verbunden ist. Die Spule 312 kann in Bezug auf den Kondensator 306 positioniert und ausgerichtet sein. Der Kondensator 306 kann, wie in 1 gezeigt, als die Kondensatorersatzschaltung 102 modelliert werden.
Der Kondensator 306 weist einen mit einer Masse 302 verbundenen Anschluss auf, wobei der andere Anschluss zwischen der Spule 312 und der Ausgangsstromschiene 304 verbunden ist. Die Spule 312 (z. B. die Kopplungsverbindung) wird mit dem Kondensator 306 ausgelegt, um eine negative induktive Kopplung 310 zu erzeugen, um parasitäre Induktanz des Kondensators 306 zu reduzieren. Die negative induktive Kopplung 310 basiert darauf, dass Brummstrom durch die Spule 310 und den Kondensator 306 in einer entgegengesetzten Richtung fließt. Der Brummstrom in der Spule 312, der in einer entgegengesetzten Richtung zum Brummstrom des Kondensators fließt, dämpft ein Magnetfeld, das vom Kondensator 306 erzeugt wird.
Zum Beispiel kann ein Leistungswandler einen Schaltschaltkreis aufweisen, der während des Betriebs Welligkeitsstrom erzeugt. Der LC-Filter 300 kann mit dem Leistungswandler ausgelegt werden, um das vom Schaltschaltkreis erzeugte Rauschen zu beseitigen. Der LC-Filter 300 kann die Spule 312 aufweisen, die über dem Kondensator 306 gestapelt ist und elektrisch zwischen dem Induktor 308 und dem Kondensator 306 verbunden ist. Die Anordnung der Spule 312 mit dem Kondensator leitet den Brummstrom, der durch den Betrieb des Schaltschaltkreises bewirkt wird, so dass er durch den Kondensator 306 und die Spule 312 in entgegengesetzter Richtung fließt, um ein vom Kondensator 306 erzeugtes Magnetfeld zu dämpfen. Die Spule 312 kann eine Windungsanzahl und/oder einen Durchmesser aufweisen, die auf einer Größe des Kondensators 306 basieren. Bei der Spule 312 kann die Windungsanzahl und/oder der Durchmesser auf einer gewünschten Kopplung zwischen der parasitären Induktanz des Kondensators 306 und einer Induktanz der Spule 312 basieren. Der LC-Filter 300 mit der Anordnung der Spule 312 kann entweder an einem Eingang oder an einem Ausgang des Schaltschaltkreises positioniert sein.
4 sind die Diagramme 400, 401, die den LC-Filter mit und ohne die Spulenanordnung zwischen dem Induktor und dem Kondensator zeigen. Das Diagramm 400 veranschaulicht die Verbesserung der zweiten (f₂) Resonanzfrequenz bei Verwendung des LC-Filters, der die Spulenanordnung zwischen dem Induktor und dem Kondensator aufweist. Das Diagramm 400 weist eine x-Achse auf, die eine Frequenz 402 in Hertz darstellt, und eine y-Achse, die eine Magnitude 404 in Dezibel darstellt. Der LC-Filter ohne die Spulenkopplung veranschaulicht eine Filterdämpfungsmagnitude 406, die Verschlechterung in der Filterdämpfung bei Frequenzen aufweist, die in die AM- und FM-Bänder einkoppeln können, wie in Tabelle 1 gezeigt wird. Das Ergebnis des LC-Filters mit der Spulenanordnung veranschaulicht eine Filterdämpfungsmagnitude 408, bei der die Filterdämpfung verbessert ist. Die Übertragungsfunktion des LC-Filters wird gemessen, und die Ergebnisse zeigen, dass die eingebrachte negative Induktanz die Filterdämpfung bei hoher Frequenz weiter verbessert.
Das Diagramm 401 veranschaulicht einen negativen induktiven Kopplungsmesswert zwischen dem LC-Filter mit der Spulenanordnung und dem LC-Filter ohne die Spulenanordnung. Das Diagramm 401 weist eine x-Achse auf, die eine Frequenz 402 darstellt, und eine y-Achse, die eine Magnitude 404 darstellt. Der LC-Filter ohne die Spulenkopplung veranschaulicht eine negative induktive Kopplungsmagnitude 410, die sich bei hohen Frequenzen wegen eines von der Kapazitanz des LC-Filters erzeugten Magnetfelds zu verschlechtern beginnt. Der LC-Filter mit der Spulenkopplung wird auf dem Diagramm veranschaulicht, das eine negative induktive Kopplungsmagnitude 412 aufweist, die das vom Kondensator erzeugte Magnetfeld dämpft. Die Diagramme 400, 401 veranschaulichen eine Verschiebung der Frequenz zwischen dem LC-Filter mit der Spulenkopplung und dem LC-Filter ohne die Spulenkopplung. Die Verschiebung der Frequenz veranschaulicht, dass die Spule, die einen Stromfluss in einer entgegengesetzten Richtung zu dem des Kondensators des LC-Filters aufweist, das vom Kondensator erzeugte Magnetfeld dämpft.
Die negative induktive Kopplung zwischen der Spule und dem Kondensator ist dazu konzipiert, die effektive Reiheninduktanz des Kondensators zu reduzieren. Die induktive Kopplung wird anhand der Kondensator-Impedanzdiagramme auf Basis der folgenden Gleichung berechnet:
wobei gilt: Der Induktor L_ESL stellt die parasitäre Induktanz des Kondensators 102 des LC-Filters 101 dar, der Kondensator C_self stellt den Kondensator für den LC-Filter dar, und die zweite Resonanzfrequenz f₂ stellt eine Resonanzfrequenz für den Filter dar. Der LC-Filter kann eine Spule bereitstellen, um eine induktive Kopplung auf Basis der zweiten Resonanzfrequenz f₂ zu erzeugen, wie in 5 gezeigt wird.
5 sind die Diagramme 500, 501, die eine Kondensatorimpedanz des LC-Filters mit und ohne die Spulenanordnung zeigen. Die Diagramme 500, 501 weisen eine x-Achse auf, die eine Frequenz 502 darstellt, und eine y-Achse, die eine Magnitude 504 darstellt. Die zweite Resonanzfrequenz f₂, die einen Wert ungefähr gleich 509,5 Kilohertz (kHz) aufweist, kann erfordern, dass die induktive Kopplung ungefähr gleich –11,632 Nano-Henry (nH) ist, auf Basis der Gleichung 4 oben.
Das Diagramm 500 veranschaulicht die Verbesserung für den LC-Filter unter Verwendung der Spule, um eine negative induktive Kopplung zwischen dem Induktor und der parasitären Induktanz des Kondensators zu erzeugen. Die Magnitude 506 für den LC-Filter ohne die Spulenkopplung veranschaulicht die Induktanz des Kondensators bei einer hohen Frequenz. Die Magnitude 508 des LC-Filters mit der Spulenkopplung, die eine negative Induktanz erzeugt, veranschaulicht einen verbesserten LC-Filter bei hohen Frequenzen.
Das Diagramm 501 veranschaulicht die Phase der Impedanz des Kondensators 306 bei Verwendung des LC-Filters mit der Spulenkopplung und ohne Spulenkopplung. Die Magnitude 512 der negativen induktiven Kopplung für den LC-Filter mit der Spulenkopplung erzeugt eine negative Induktanz von –11,632 nH. Die Magnitude 512 der negativen induktiven Kopplung, die eine negative Induktanz erzeugt, wird vom Diagramm 501 als eine Verbesserung im Vergleich zu einer Magnitude 510 aus dem LC-Filter ohne die Spulenkopplung veranschaulicht.
6 ist ein Schaltungsaufbau, bei dem die Kondensatorzweig-Induktanzschaltung 102 verwendet wird, um die durch die Kopplung M₁ der Spule erzeugte Kondensatorimpedanz zu berechnen. Der Schaltungsaufbau 600 kann verwendet werden, um die von der Kopplung der Spule mit dem Kondensator erzeugte negative Induktanz zu quantifizieren und veranschaulicht die Komponenten im LC-Filter. Die Kondensatorzweigschaltung 306 kann, wie in 1 gezeigt, als die Ersatzschaltung 102 für den Kondensator dargestellt werden. Die Kondensatorersatzschaltung 306 enthält in Reihe den Kondensator C_self 106, den Induktor L_ESL 108 und den Widerstand R_ESL 110.
In diesem Beispiel wird die Induktanz der Spule 312, die zum Verbinden des Induktors mit dem Kondensator (L_coil) verwendet wird, mit 40 nH angenommen. Die Spulenkopplung ist so konzipiert, dass eine gegenseitige Induktanz eines Werts, der gleich der parasitären Induktanz des Kondensators ist, zwischen der Spule und der parasitären Induktanz des Kondensators entwickelt wird. Der Kopplungskoeffizient k wird durch die folgende Gleichung berechnet:
wobei gilt: Der Kopplungskoeffizient k ist das Verhältnis zweier Induktanzwerte. Der Kopplungskoeffizient k ist ein selektiver Wert, der auf Basis des Aufbaus gewählt werden kann. Um das oben genannte Beispiel fortzusetzen: Falls der ausgewählte Kopplungskoeffizient k 0,1 ist, kann der Induktor L_ESL 108, der die parasitäre Induktanz des Kondensators darstellt, ungefähr 14,8 nH sein. Als Reaktion auf das Beispiel kann der LC-Filteraufbau die folgenden, zugeordneten Komponentenwerte aufweisen, wie in 6 veranschaulicht wird. Zum Beispiel kann der Spuleninduktor 312 einen Wert von ungefähr 40 nH aufweisen, der Kondensator C_self 106 kann einen Wert von ungefähr 30,8 uF aufweisen, die Kondensatorzweiginduktanz L_ESL 108 kann einen Wert von ungefähr 14,8 nH aufweisen, der Widerstand R_ESL 110 kann einen Wert von ungefähr 1,68 mΩ aufweisen, der Induktor L_Self 112 kann einen Wert von ungefähr 2,69 uF aufweisen, die verflochtene Kapazitanz C_tt 114 des Induktors kann einen Wert von ungefähr 22,47 pF aufweisen, und ein Widerstand R_Core 116 kann einen Wert von ungefähr 480 Ω aufweisen.
Der LC-Filter, der eine Spulenanordnung mit dem Kondensator enthält, kann eine Ausgangsimpedanz aufweisen, die die Magnitude bei hohen Frequenzen senkt. Zum Beispiel kann der LC-Filter mit der Spule im Wesentlichen die Interferenz zum AM-Frequenzband und zum FM-Frequenzband beseitigen.
7 ist ein Diagramm 700, das veranschaulicht, dass die Spule die Dämpfung für eine Schaltung verbessert. Das Diagramm 700 weist eine x-Achse auf, die eine Frequenz 702 darstellt, und eine y-Achse, die eine Magnitude 704 darstellt. Die Eingangsspannung 706 für die Schaltung wird so veranschaulicht, dass sie einen Betrag der Dämpfung aufweist, der von der Schaltung erzeugt wird. Die Schaltung mit einem LC-Filter ohne Spule kann eine gemessene Ausgabe 708 aufweisen, die das vom Spannungsausgang erzeugte Rauschen veranschaulicht. Die Schaltung mit einem LC-Filter mit der Spule kann eine gemessene Ausgabe 710 aufweisen, die eine Reduzierung in der Dämpfung auf Basis der Spule veranschaulicht.
Obwohl oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen, durch die Ansprüche erfassten Formen beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Begriffe sind eher beschreibende als einschränkende Begriffe, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und vom Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Die Merkmale verschiedener Ausführungsformen können, wie vorher beschrieben wurde, kombiniert werden, so dass sie weitere Ausführungsformen der Erfindung bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Obwohl verschiedene Ausführungsformen so beschrieben worden sein können, dass sie Vorteile gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer erwünschter Charakteristika bereitstellen bzw. diesen vorzuziehen sind, verstehen Durchschnittsfachleute, dass Kompromisse hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale oder Charakteristika eingegangen werden können, um verlangte Eigenschaften des Gesamtsystems zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Umsetzungsform abhängig sind. Zu diesen Merkmalen können Kosten, Festigkeit, Langlebigkeit, Lebensdauerkosten, Absatzfähigkeit, Erscheinungsbild, Montage, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. zählen, sind aber nicht darauf beschränkt. Von daher liegen Ausführungsformen, die hinsichtlich eines oder mehrerer Charakteristika als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen bzw. als Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik beschrieben worden sind, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für spezielle Anwendungen erwünscht sein.

Claims

Leistungsgleichspannungswandler, der Folgendes umfasst: Schaltschaltkreise; und einen LC-Filter, der einen Induktor, einen Kondensator und eine Spule enthält, die in Bezug auf den Kondensator positioniert und ausgerichtet und mit ihm elektrisch verbunden ist, so dass der Welligkeitsstrom, der durch den Betrieb des Schaltschaltkreises bewirkt wird, durch den Kondensator und die Spule in entgegengesetzter Richtung fließt, um ein vom Kondensator erzeugtes Magnetfeld zu dämpfen, um parasitäre Induktanz des Kondensators zu reduzieren.
Wandler nach Anspruch 1, wobei der Kondensator und die Spule übereinander gestapelt sind.
Wandler nach Anspruch 1, wobei die Spule elektrisch mit dem Induktor verbunden ist.
Wandler nach Anspruch 1, wobei eine Windungsanzahl der Spule auf einer Größe des Kondensators und einer gewünschten Kopplung zwischen der parasitären Induktanz des Kondensators und einer Induktanz der Spule basiert.
Wandler nach Anspruch 1, wobei ein Durchmesser der Spule auf einer Größe des Kondensators und einer gewünschten Kopplung zwischen der parasitären Induktanz des Kondensators und einer Induktanz der Spule basiert.
Wandler nach Anspruch 1, wobei der LC-Filter wenigstens mit einem von Folgenden, einem Eingang des Schaltschaltkreises oder einem Ausgang des Schaltschaltkreises, verbunden ist.
Wandler nach Anspruch 1, wobei die Spule elektrisch vor dem Induktor oder nach dem Induktor verbunden ist.
LC-Filter, der Folgendes umfasst: einen Induktor; einen Kondensator, der elektrisch mit dem Induktor verbunden ist; und eine Spule, die elektrisch in Reihe verbunden ist und auf dem Kondensator gestapelt ist, so dass Brummstromfluss durch den Kondensator und die Spule in entgegengesetzte Richtungen erfolgt, was zu einem Magnetfeldversatz zwischen dem Kondensator und der Spule führt, um eine parasitäre Induktanz des Kondensators zu reduzieren, wobei die Spule eine vordefinierte Windungsanzahl und einen Durchmesser aufweist, die auf einer Größe des Kondensators basieren.
Filter nach Anspruch 8, wobei der Kondensator und die Spule übereinander gestapelt sind.
Filter nach Anspruch 8, wobei die Spule elektrisch mit dem Induktor verbunden ist.
Filter nach Anspruch 8, wobei die Windungsanzahl der Spule auf der Größe des Kondensators und einer gewünschten Kopplung zwischen der parasitären Induktanz des Kondensators und einer Induktanz der Spule basiert.
Filter nach Anspruch 8, wobei der Durchmesser der Spule auf der Größe des Kondensators und einer gewünschten Kopplung zwischen der parasitären Induktanz des Kondensators und einer Induktanz der Spule basiert.
Filter nach Anspruch 8, wobei die Spule mit einem Eingang des Schaltschaltkreises verbunden ist.
Filter nach Anspruch 8, wobei die Spule mit einem Ausgang des Schaltschaltkreises verbunden ist.
Verfahren zum Dämpfen eines Magnetfelds in einem Leistungswandler, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Dämpfen eines Magnetfelds, das von einem Kondensator eines LC-Filters erzeugt wird, der einen Induktor und eine Spule enthält, indem ein Brummstrom aus dem Kondensator zur Spule geleitet wird, so dass der Brummstrom durch den Kondensator und die Spule in entgegengesetzten Richtungen fließt, um parasitäre Induktanz des Kondensators zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Kondensator und die Spule übereinander gestapelt sind.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei eine Windungsanzahl der Spule auf einer Größe des Kondensators und einer gewünschten Kopplung zwischen der parasitären Induktanz des Kondensators und einer Induktanz der Spule basiert.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein Durchmesser der Spule auf einer Größe des Kondensators und einer gewünschten Kopplung zwischen der parasitären Induktanz des Kondensators und einer Induktanz der Spule basiert.
Verfahren nach Anspruch 15, das weiterhin Verbinden der Spule mit einem Eingang des Schaltschaltkreises umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, das weiterhin Verbinden der Spule mit einem Ausgang des Schaltschaltkreises umfasst.