TW201011790A - Transformer for reducing EMI and power conversion circuit using the same - Google Patents

Description

201011790 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 -本案係關於一種變壓器，尤指一種用以減少電磁干擾 影響之變壓器及其適用之電源轉換電路。 【先前技術】 變壓器為各式電器設備中經常使用之電子組件。請參 閱第一圖’其係為習知變壓器之結構示意圖。如第一圖所 示，該變壓器1主要包含一磁芯組ll(magnetic core assembly)、一繞線基座i2(bobbin)、一初級繞線13與一 參 次級繞線（未圖示）等。其中’初級繞線丨3及次級繞線係 採用三明治繞法之方式疊繞於繞線基座12之繞線區中， 即初級繞線13係分為兩部份而將次級繞線包覆於其中， 且初級繞線13及次級繞線之兩兩相鄰處係利用膠帶（tape) 使其彼此絕緣分離。磁芯組丨丨通常為EE型磁芯組 (EE-C0re)、EI型磁芯組（EI_c〇re)或er型磁芯组 ⑽-咖），其可將軸心⑴設置於繞線基座12之套管i2i :岸使：芯與初級繞線13及次級繞線產生電磁偶合 感應藉以達到電壓轉換之目的。 雖然習知變壓器〗確實可達到 當蠻壓哭1處m 电澄轉換之功效’但是 Q 1應用於-電源轉換電路（未圖示）中時 ^級繞線13會與電源轉換電路之―開關 》 措由該開關元件的導通與斷_來控韻軸級、^接13 6 201011790 上之電流，然而當開關元件反覆地作切換的動作時，會於 初級繞線13上產生很大的電流變化，進而產生電磁干擾 (Electromagnetic Interference; E.M.I.)，且初級繞線 13上越鄰近開關元件的位置其電磁干擾越明顯，而電磁干 擾的產生會影響初級繞線13及次級繞線之電磁耦合率， 並增加變壓器1之漏電感，進而使變壓器1的運作效率降 低。 因此，如何發展一種可改善習知技術缺失之用以減少 電磁干擾影響之變壓器及其適用之電源轉換電路，實為目 前迫切需要解決之問題。 【發明内容】 本案之主要目的在於提供一種用以減少電磁干擾影 響之變壓器及其適用之電源轉換電路，俾解決習知變壓器 應用於電源轉換電路且與開關元件電連接時，初級繞線因 開關元件反覆地切換所產生之電磁干擾會影響其與次級 繞線間之電磁耦合率，使得變壓器的運作效率降低之缺 失。 為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種 變壓器，至少包含：繞線基座；磁芯組，係部份穿設繞線 基座；第一初級繞線，係纏繞於繞線基座上，且由第一繞 線部及第二繞線部所構成，其中第一繞線部之電磁干擾係 大於第二繞線部；次級繞線，係纏繞於第一初級繞線上； 以及第一屏蔽元件，係設置於第一初級繞線及次級繞線之 7 201011790 間，用以阻隔第一初級繞線之電磁干擾傳導至次級繞線； - 其中，第一初級繞線之第一繞線部係與磁芯組相鄰設，以 . 藉由磁芯組來屏蔽第一繞線部之電磁干擾，第二繞線部係 纏繞於第一繞線部上而與次級繞線相鄰近，以增加第一初 級繞線及次級繞線之電磁搞合率。 本案之另一較廣義實施態樣為提供一種電源轉換電 路，至少包含：開關元件；電源輸入端，用以接收電源信 A 號；以及變壓器，係與電源輸入端及開關元件電連接，用 讎 以接收並轉換電源信號，變壓器至少包含：繞線基座；磁 芯組，係部份穿設繞線基座；第一初級繞線，係纏繞於繞 線基座上，且具有第一繞線部及第二繞線部，其中第一繞 線部係與開關元件電連接，第一繞線部之電磁干擾係大於 第二繞線部；次級繞線，係纏繞於第一初級繞線上；以及 第一屏蔽元件，係設置於第一初級繞線及次級繞線之間， 用以阻隔第一初級繞線之電磁干擾傳導至於次級繞線；其 φ 中，第一初級繞線之第一繞線部係與磁芯組相鄰設，以藉 由磁芯組來屏蔽第一繞線部之電磁干擾，第二繞線部係纏 繞於第一繞線部上而與次級繞線相鄰，以增加第一初級繞 線及次級繞線之電磁耦合率。 【實施方式】 體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的 說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具 有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及 8 201011790 圖示、在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。 - 請參閱第二圖，其係為本案較佳實施例之使用可減少 . 電磁干擾影響之變壓器之電源轉換電路之電路結構圖。如 第二圖所示，本實施例之電源轉換電路2主要包含一電源 輸入端VIN，一開關元件21以及一變壓器22。變壓器22 係分別與電源輸入端VIN及開關元件21電連接，且包含 一初級繞線、一次級繞線、一第一屏蔽元件2 21、一第二 ^ 屏蔽元件222以及複數個接腳P卜P4、P6〜P11以及 P13〜P14 。 於本實施例中，初級繞線可為但不限於由一第一初級 繞線23及一第二初級繞線24所構成，其中第一初級繞線 23係分別連接於變壓器22之接腳P4及P3，第二初級繞 線24則分別連接於變壓器22之接腳P2及P3，且藉由接 腳P3而與第一初級繞線23電連接。次級繞線則可為但不 限於由複數個次級繞線25〜29所構成，且複數個次級繞線 φ 25〜29依序係連接於變壓器22之接腳P14及P1卜接腳P11 及P13、接腳P13及P10、接腳P10及P8、接腳P10及P9。 第一初級繞線23及第二初級繞線24與複數個次級繞線 25〜29間可藉由一磁芯組224(如第三圖所示）而產生電磁 耦合感應。 於一些實施例中，第一初級繞線23之圈數係為例如 26匝，第二初級繞線24之圈數同樣為例如26匝，另外， 複數個次級繞線25〜29之圈數各為例如8、4、2、8、6匝， 故複數個次級繞線25〜28係分別產生-5V、3. 3V、5V以及 9 201011790 12V之電壓輸出，然第一初級繞線23、第二初級繞線24、 • 複數個次級繞線25〜29之圈數，以及複數個次級繞線25〜28 . 之電壓輸出大小並不以此為限，可依變壓器22之實際電 壓需求而有不同之實施態樣。 於本實施例中，第一屏蔽元件221及第二屏蔽元件222 係分別設置於第一初級繞線23及第二初級繞線24與複數 個次級繞線25〜29之間。又於一些實施例中，第一屏蔽元 秦 件221及第二屏蔽元件222可為但不限於連接至變壓器22 之接腳P6而與接地端G1連接。 於一些實施例中，變壓器22更可具有一第一輔助繞 線200及一第二輔助繞線201。第一輔助繞線200係連接 於變壓器22之接腳P6及P7,且藉由接腳P6而與第一屏 蔽元件221及第二屏蔽元件222電連接，該第一輔助繞線 200係用以提供控制開關元件21作動之一脈寬調變（PWM) 控制器（未圖示）所需之電源。第二輔助繞線201則與變壓 φ 器22之接腳P1及P2連接，並藉由接腳P2而與第一初級 繞線23電連接，該第二輔助繞線201係用以提供額外的 電源給電源轉換電路2之内部元件。 於本實施例中，電源輸入端VIN係連接於變壓器22 之接腳P2而與變壓器22之第二初級繞線24及第二輔助 繞線201電連接，且可經一電容C1及一電阻R1而與開關 元件21電連接，該電源輸入端VIN係用以接收一電源信 號，並提供該電源信號至變壓器22之第一初級繞線23、 第二初級繞線24以及第一辅助繞線200。 201011790 開關元件21係與電源輸入端VIN及變壓器22電連 - 接，且可為但不限於由一 N通道之金氧半場效電晶體（NM0S) 所構成，該開關元件21係具有一控制端211、一第一電流 傳導端212及一第二電流傳導端213，其中控制端211係 用以接收脈寬調變控制器所傳來的控制訊號，俾控制第一 電流傳導端212及第二電流傳導端213之間導通或斷開， 而第一電流傳導端212係連接至變壓器22之接腳P4而與 康 第一初級繞線23電連接，第二電流傳導端213則藉由一 讎 電阻R1而連接至接地端G2。藉此，當電源轉換電路2之 電源輸入端VIN接收電源信號時，電源轉換電路2便可藉 由控制開關元件21之切換而控制流經變壓器22之第一初 級繞線23及第二初級繞線24的電流，以使變壓器22之 複數個次級繞線25〜29感應而產生不同之電壓輸出。 以下將以第三圖來配合說明第二圖所示之變壓器結 構，且於本實施例中，變壓器22之立體結構的外觀係與 φ 第一圖所示之習知變壓器1相似，換言之，變壓器22可 以穿設於繞線基座之磁芯組的軸心為軸將變壓器22區分 為第一區域及第二區域，其中第一區域係由變壓器22最 外層之繞線至磁芯組224的軸心2241，而第二區域則相對 於第一區域，涵蓋由磁芯組224之軸心2241至變壓器22 之另一最外層繞線之範圍，由於第一區域與第二區域係以 磁芯組224之轴心2241為軸而呈現鏡像對稱，因此第三 圖中主要係以變壓器22之第一區域來說明本案之變壓器 22之細部結構。另外，為了能更清楚瞭解本案技術，於第 11 201011790 三圖中係直接標明第一初級繞線23、第二初級繞線24、 . 第一輔助繞線2〇〇、第二輔助繞線2〇1以及複數個次級繞 - 線25〜29之各自兩端部所對應連接之變壓器22接腳的標 號。 請參閱第三圖，並配合第二圖，其中第三圖係為第二 圖所示之變壓器之由最外層繞線至磁芯組之軸心的剖面 結構示意圖。如第二圖及第三圖所示，本實施例之變壓器 馨 22主要包含第—初級繞線23、第二初級繞線24，複數個 次級繞線25〜29、第一屏蔽元件221、第二屏蔽元件222、 繞線基座223以及磁芯組224。於本實施例中，繞線基座 223之立體結構係與第一圖所示之繞線基座丨2相似，用以 供第一初級繞線23、第二初級繞線24以及複數個次級繞 線25〜29纏繞，且第一初級繞線23及第二初級繞線24與 複數個次級繞線25〜29於繞線基座223上之纏繞方式可為 但不限於三明治繞法，即第一初級繞線23及第二初級繞 參 線24係將複數個次級繞線25〜29包覆於其中。 於本實施例中’磁芯組224之立體結構係與第一圖所 示之磁芯組11相似，磁芯組224之軸心2241係部份穿設 繞線基座223之套管（未圖示）而位於繞線基座223之中 心，用以使第一初級繞線23及第二初級繞線24與複數個 次級繞線25〜29產生電磁耦合感應，使變壓器22達到電 壓轉換之目的。 於本實施例中，第一初級繞線23係纏繞於繞線基座 223上，且可由第一繞線部231及第二繞線部232所構成， 12 201011790 其中第一繞線部231之端部231a係連接於變壓器22之接 • 腳P4而與開關元件21之第一電流傳導端212電連接，且 . 第一繞線部231係與磁芯組224相鄰設，而第二繞線部 232則纏繞於第一繞線部231上，且第二繞線部232之端 部232a係連接於變壓器22之接腳P3。 於本實施例中，第一屏蔽元件221可為但不限於由金 屬薄片所構成，且纏繞於第一初級繞線23上，另外，第 ^ 一屏蔽元件221與第一初級繞線23之間係設置一絕緣物 質30，例如絕緣膠帶，以達到隔離第一屏蔽元件221與第 一初級繞線23之效用。 次級繞線26、27係分別纏繞於第一屏蔽元件221上， 而其餘的次級繞線25、28、29則纏繞於次級繞線26、27 上。第二屏蔽元件222係設置於複數個次級繞線25〜29 上，且可為但不限於由一金屬薄片所構成。於一些實施例 中，次級繞線25〜29與第一屏蔽元件221、第二屏蔽元件 φ 222之間係分別設置絕緣物質30而彼此隔離，另外次級繞 線25、28、29與次級繞線27之間同樣藉由設置絕緣物質 30而彼此隔離。 於本實施例中，第二初級繞線24係纏繞於第二屏蔽 元件222上，且可由第三繞線部241及第四繞線部242所 構成，其中第三繞線部241之端部241a係連接於與變壓 器22之接腳P2而與電源轉換電路2之電源輸入端VIN電 連接，且第三繞線部241係鄰設於第二屏蔽元件222進而 與複數個次級繞線25〜29相鄰近，第四繞線部242則纏繞 13 201011790 於第三繞線部241上，且藉由端部242a連接於變壓器22 - 之接腳P3而與第一初級繞線23電連接。當然，於其他實 . 施例中，第二初級繞線24與第二屏蔽元件222之間亦可 設置絕緣物質30而彼此隔離。 於一些實施例中，變壓器22之第一輔助繞線200及 第二輔助繞線201則可纏繞於第二初級繞線24上而位於 變壓器22之最外層，且第一輔助繞線200及第二辅助繞 ▲ 線201之兩側係分別設有絕緣物質30，即第一輔助繞線 fp 200及第二輔助繞線201與第二初級繞線24之間可藉由絕 緣物質30來進行隔絕。由於第一輔助繞線200與第二輔 助繞線201係設置於變壓器22之繞線基座223之最外層 而包覆第一初級繞線23、第二初級繞線24、複數個次級 繞線25〜29、第一屏蔽元件221以及第二屏蔽元件222， 故可使變壓器22之結構較為緊實，進而加強第一初級繞 線23、第二初級繞線24與複數個次級繞線25~29之間的 φ 電磁耦合率。 請再參閱第二圖並配合第三圖，當電源轉換電路2之 開關元件21藉由控制端211所接收之控制訊號而重複地 作切換動作時，會於第一初級繞線23及第二初級繞線24 上產生極大的電磁干擾，且由於第一初級繞線23之第一 繞線部231的端部231a係直接與開關元件21之第一電流 傳導端212電連接，故第一繞線部231之電磁干擾係相對 大於第二繞線部232，然因第一繞線部231係設置於變壓 器22之繞線基座223之最内層且靠近磁芯組224,因此變 14 201011790 壓器22便可藉由磁芯組224之轴心2241來屏蔽第一繞線 - 部231上之電磁干擾，進而減少變壓器22之内部元件受 . 電磁干擾的影響。此外由於電磁干擾較小之第二繞線部 232係纏繞於第一繞線部231上而與複數個次級繞線 25〜29鄰近，因此可提昇第一初級繞線23與複數個次級繞 線25〜29間的電磁耦合率。 再者，由於第二初級繞線24之第三繞線部241的端 «部241a係連接於變壓器22之接腳P2而與電源轉換電路2 之電源輸入端VIN電連接，進而接收電源輸入端VIN所傳 送之電源信號，而第四繞線部242相較於第三繞線部241 則較為靠近開關元件21之第一電流傳導端212,故第三繞 線部241之電磁干擾係小於第四繞線部242，又因第三繞 線部241係設置於第二屏蔽元件222上而與次級繞線 25〜29相鄰設，而第四繞線部242則纏繞於第三繞線部241 而遠離複數個次級繞線25〜29，因此可提昇第二初級繞線 φ 24與次級繞線25〜29間的電磁耦合率。 另外，變壓器22之第一屏蔽元件221及第二屏蔽元 件222同樣可具有減少變壓器22受電磁干擾影響之功 效，因第一屏蔽元件221及第二屏蔽元件222係分別設置 於第一初級繞線23及第二初級繞線24與複數個次級繞線 25〜29之間，因此第一初級繞線23及第二初級繞線24上 之電磁干擾便傳導至第一屏蔽元件221及第二屏蔽元件 222上，又因第一屏蔽元件221及第二屏蔽元件222係連 接至接地端G1，因此可將電磁干擾由接地端G1導出，如 15 201011790 此一來，便可阻隔第一初級繞線23及第二初級繞線24將 * 本身之電磁干擾傳遞至複數個次級繞線25〜29，使得第一 . 初級繞線23、第二初級繞線24與複數個次級繞線25〜29 間之電磁粞合率增加，進而提昇變壓器22之轉換效率。 請再參閱第二圖，於一些實施例中，電源轉換電路2 更具有一跳線路徑J1，其一端係與第一屏蔽元件221、第 二屏蔽元件222連接，另一端則經由電阻R1與開關元件 ^ 21電連接，該跳線路徑J1係用以使第一屏蔽元件221、 警 第二屏蔽元件222、開關元件21以及第一初級繞線23及 第二初級繞線24之間形成一個路徑最短的迴路，使第一 初級繞線23及第二初級繞線24所產生之電磁干擾更可於 該迴路中重複地傳導，如此一來該電磁干擾便無法往電源 轉換電路2之其他路徑發散，可提昇變壓器22之轉換效 率。 綜上所述，本案之用以減少電磁干擾影響之變壓器及 0 其適用之電源轉換電路係藉由將具有最大電磁干擾之第 一初級繞線的第一繞線部鄰設於磁芯組、電磁干擾較小之 第一初級繞線的第二繞線部與第二初級繞線的第三繞線 部係分別設置於第一初級繞線之第二繞線部及第二初級 繞線之第四繞線部，而與複數個次級繞線相鄰近，以及藉 由設置於第一初級繞線、複數個次級繞線之間的第一屏蔽 元件與設置於第二初級繞線與複數個次級繞線之間的第 二屏蔽元件，故可減少變壓器受電磁干擾之影響，而提昇 變壓器之第一初級繞線、第二初級繞線與次級繞線間的電 16 201011790 磁耦合率，使得變壓器可減少漏電感而提高轉換效率。是 以本案之用以減少電磁干擾影響之變壓器及其適用之電 源轉換電路極具產業之價值，爰依法提出申請。 本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修 飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

17 201011790 【圖式簡單說明】 . 第一圖：其係為習知變壓器之結構示意圖。 第二圖：其係為本案較佳實施例之電源轉換電路之電路結 構圖。 第三圖：其係為第二圖所示之變壓器之由最外層繞線至磁 芯組之軸心之剖面結構示意圖。

18 201011790 【主要元件符號說明】 _ 1、22 :變壓器 11、 224 :磁芯組 12、 223 :繞線基座 13 :初級繞線 1H、2241 :軸心 121 :套管 2:電源轉換電路 21 :開關元件 23 :第一初級繞線 24 :第二初級繞線 25、26、27、28、29 :次級繞線 30 :絕緣物質 200 :第一輔助繞線 201 :第二輔助繞線 φ 211 :控制端 212 :第一電流傳導端 213 :第二電流傳導端 221 :第一屏蔽元件 222 :第二屏蔽元件 231 :第一繞線部 232 :第二繞線部 241 :第三繞線部 242 :第四繞線部 19 201011790 231a、232a、241a、242a :端部 VIN :電源輸入端

Cl :電容 R1 :電阻 J1 :跳線路徑 G1、G2 :接地端 P卜 P2、P3、P4、P6、P7、P8、P9、P10、PU、P13、P14 :

接腳

20

Claims (1)

1. 201011790 十、申請專利範圍： . 1. 一種變壓器，至少包含： 一繞線基座； 一磁芯組’係部份穿設該繞線基座； 一第一初級繞線，係纏繞於該繞線基座上，且由一第 一繞線部及一第二繞線部所構成，其中該第一繞線部之電 磁干擾係大於該第二繞線部； 一次級繞線，係纏繞於該第一初級繞線上；以及 一第一屏蔽元件，係設置於該第一初級繞線及該次級 繞線之間，用以阻隔該第一初級繞線之電磁干擾傳導至該 次級繞線； 其中，該第一初級繞線之該第一繞線部係與該磁芯組 相鄰設，以藉由該磁芯組來屏蔽該第一繞線部之電磁干 擾，該第二繞線部係纏繞於該第一繞線部上而與該次級繞 線相鄰近，以增加該第一初級繞線及該次級繞線之電磁耦 ⑩合率。 2. 如申請專利範圍第1項所述之變壓器，其中該變壓器更 具有一第二初級繞線，係纏繞於該次級繞線上，且該第二 初級繞線係由一第三繞線部及一第四繞線部所構成。 3. 如申請專利範圍第2項所述之變壓器結構，其中該第一 初級繞線、該第二初級繞線以及該次級繞線係採用三明治 繞法，使該次級繞線纏繞於該第一初級繞線及該第二初級 繞線之間。 4. 如申請專利範圍第2項所述之變壓器，其中該變壓器更 21 201011790 具有一第二屏蔽元件，係設置於該第二初級繞線及該次級 - 繞線間，用以阻隔該第二初級繞線之電磁干擾傳導至該次 . 級繞線。 5. 如申請專利範圍第4項所述之變壓器，其中該第一屏蔽 元件及該第二屏蔽元件係分別為一金屬薄片所構成。 6. 如申請專利範圍第4項所述之變壓器，其中該第三繞線 部之電磁干擾係小於該第四繞線部，且該第三繞線部係纏 繞於該第二屏蔽元件上而與該次級繞線相鄰近，該第四繞 線部係纏繞於該第三繞線部上，俾增加該第二初級繞線及 該次級繞線間之電磁耦合率。 7. 如申請專利範圍第4項所述之變壓器，其中該第一初級 繞線與該第一屏蔽元件間、該次級繞線與該第一屏蔽元件 間，該次級繞線與該第二屏蔽元件間以及該第二初級繞線 與該二屏蔽元件間係分別設置一絕緣物質以彼此隔離。 8. 如申請專利範圍第7項所述之變壓器，其中該絕緣物質 φ 係為一絕緣膠帶。 9. 一種電源轉換電路，至少包含： 一開關元件； 一電源輸入端，用以接收一電源信號；以及 一變壓器，係與該電源輸入端及該開關元件電連接， 用以接收並轉換該電源信號，該變壓器至少包含： 一繞線基座； 一磁芯組，係部份穿設該繞線基座； 一第一初級繞線，係纏繞於該繞線基座上，且具有 22 201011790 一第一繞線部及一第二繞線部，其中該第一繞線部係與 - 該開關元件電連接，該第一繞線部之電磁干擾係大於該 . 第二繞線部； 一次級繞線，係纏繞於該第一初級繞線上；以及 一第一屏蔽元件，係設置於該第一初級繞線及該 次級繞線之間，用以阻隔該第一初級繞線之電磁干擾 傳導至於該次級繞線； • 其中，該第一初級繞線之該第一繞線部係與該磁芯組 相鄰設，以藉由該磁芯組來屏蔽該第一繞線部之電磁干 擾，該第二繞線部係纏繞於該第一繞線部上而與該次級繞 線相鄰，以增加該第一初級繞線及該次級繞線之電磁柄合 率。 10.如申請專利範圍第9項所述之電源轉換電路，其中該 變壓器結構更具有一第二初級繞線，係纏繞於該次級繞線 上，且該第二初級繞線係由一第三繞線部及一第四繞線部 φ 所構成，其中該第三繞線部係與該電源輸入端電連接，該 第四繞線部係與該第一初級繞線電連接，且該第三繞線部 之電磁干擾係小於該第四繞線部。 11.如申請專利範圍第10項所述之電源轉換電路，其中該 變壓器更具有一第二屏蔽元件，係設置於該第二初級繞線 及該次級繞線間，用以阻隔該第二初級繞線之電磁干擾傳 導至該次級繞線。 12.如申請專利範圍第11項所述之電源轉換電路，其中該 第二初級繞線之該第三繞線部係纏繞於該第二屏蔽元件 23 201011790 上而與該次級繞線相鄰近’該第四繞線部係纏繞於該第三 -繞線部上，俾增加該第二初級繞線及該次級繞線間之電磁 -搞合率。 13.如申請專利範圍第11項所述之電源轉換電路，其中該 電源轉換電路更具有一跳線路徑，該跳線路徑係與該第一 屏蔽元件、該第二屏蔽元件以及該開關元件電連接，用以 使該第一初級繞線、該第二初級繞線、該第一屏蔽元件、 ❿該第二屏蔽元件以及該開關元件間形成路徑最小之一迴 路’以使該第一初級繞線及該第二初級繞線之電磁干擾於 該該迴路中傳導，俾減少該電磁干擾之發散。 14·如申睛專利範圍第9項所述之電源轉換電路，其中該 開關7G件係為一 N通道金氧半場效電晶體。 ❹ 24