TW202011675A - 電壓轉換器以及用於降低共模雜訊的電壓轉換方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種電壓轉換器以及電壓轉換方法。電壓轉換器包括變壓器、一次側轉換電路、二次側轉換電路以及第一電容。變壓器包括繞線軸、鐵芯、初級線圈、次級線圈。初級線圈及次級線圈圍繞於繞線軸上，且繞線軸包覆鐵芯。第一電容依據第一電容的電容值提供共模雜訊導通路徑。

Description

電壓轉換器以及用於降低共模雜訊的電壓轉換方法
本發明是有關於一種電壓轉換器以及電壓轉換方法，且特別是有關於一種用於降低共模雜訊的電壓轉換器及其方法電壓轉換器以及電壓轉換方法。
電壓轉換器已廣泛應用於電子裝置的電源供應。電子裝置可以是手機、小型風扇、智慧型手錶等低消耗功率負載，也可以是筆記型電腦、高亮度照明裝置等高消耗功率負載。一般而言，在電壓轉換器應用於高功率電子裝置的情況下，要同時達到高功率密度、低共模雜訊（Common mode noise）的設計要求相當困難。在共模雜訊難以被抑制的情況下，共模雜訊會進入二次側而進一步地干擾電子元件的運作。因此，如何防止共模雜訊干擾電子元件的運作，是電壓轉換器的開發重點之一。
本發明提供一種電壓轉換器以及電壓轉換方法，可用以降低共模雜訊。
本發明的電壓轉換器包括變壓器、一次側轉換電路、二次側轉換電路以及至少一第一電容。變壓器包括一繞線軸、一鐵芯、至少一初級線圈、至少一次級線圈。該至少一初級線圈及該至少一次級線圈圍繞於該繞線軸上，且該繞線軸包覆該鐵芯。一次側轉換電路耦接至該變壓器。二次側轉換電路耦接至該變壓器。所述至少一第一電容的第一端耦接至該鐵芯及該至少一第一電容的第二端耦接於該一次側轉換電路之接地端。所述至少一第一電容用以依據該至少一第一電容的電容值提供一共模雜訊導通路徑。
在本發明的電壓轉換方法是用以降低一電壓轉換器的共模雜訊。電壓轉換器包括變壓器、一次側轉換電路以及二次側轉換電路，該變壓器包括一繞線軸、一鐵芯、至少一初級線圈、至少一次級線圈，其中該至少一初級線圈及該至少一次級線圈圍繞於該繞線軸上，且該繞線軸包覆該鐵芯，其中該一次側轉換電路耦接至該變壓器，該二次側轉換電路耦接至該變壓器，其中電壓轉換方法包括：提供至少一第一電容，並且使該至少一第一電容的第一端耦接至該鐵芯以及使該至少一第一電容的第二端耦接至該一次側轉換電路之接地端；以及依據該至少一第一電容的電容值提供一共模雜訊導通路徑。
基於上述，本發明的電壓轉換器是藉由將至少一第一電容耦接至該鐵芯與一次側轉換電路之接地端以提供一共模雜訊導通路徑。如此一來，電壓轉換器的共模雜訊可以回歸到一次側轉換電路的接地端。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
請參考圖1，圖1是依據本發明一實施例所繪示的電壓轉換器的電路示意圖。在本實施例中，電壓轉換器100包括變壓器110、一次側轉換電路120、二次側轉換電路130以及第一電容C1。一次側轉換電路120用以接收輸入電壓Vin。變壓器110用以對輸入電壓Vin進行變壓以以提供經轉換電壓（例如是升壓或降壓）。二次側轉換電路130用以對經轉換電壓進行處裡（例如是整流處裡或率波處裡）以提供輸出電壓Vout。一次側轉換電路120耦接至該變壓器110並且具有接地端GND1。二次側轉換電路130耦接至該變壓器110並且具有接地端GND2。一次側轉換電路120的接地端GND1與二次側轉換電路130的接地端GND2並沒有直接連接。舉例來說，一次側轉換電路120的接地端GND1是電力接地（power gound），而二次側轉換電路130的接地端GND2是大地接地（earth）。本實施例的一次側轉換電路120以及二次側轉換電路130可以是用以提高功率密度的電路。一次側轉換電路120以及二次側轉換電路130可例如是諧振轉換電路、功率因數校正電路以及電壓切換電路的至少其中之一。電壓轉換器100的變壓器110進一步地包括繞線軸（未示出）、鐵芯CC、初級線圈T1以及次級線圈T2_1、T2_2。在本實施例中，第一電容C1的第一端耦接至鐵芯CC。第一電容C1的第二端耦接於一次側轉換電路120之接地端GND1，藉以提供共模雜訊導通路徑P。為了容易描述本發明實施方式，本實施例是以第一電容C1、初級線圈T1以及次級線圈T2_1、T2_2來進行示例說明。本發明的第一電容、初級線圈以及次級線圈分別可以是一個或多個，並沒有固定的限制。
除此之外，電壓轉換器100還包括第二電容C2以及第三電容C3_1、C3_2、C3_3。第二電容C2耦接於初級線圈T1與次級線圈T2_1/T2_2之間。第三電容C3_1的第一端耦接於鐵芯CC。第三電容C3_1的第二端耦接於至一次側轉換電路120。第三電容C3_2、C3_3的第一端耦接於鐵芯CC。第三電容C3_2、C3_3的第二端耦接於二次側轉換電路130。本實施例的第二電容C2以及第三電容C3_1、C3_2、C3_3是存在於電壓轉換器100中的雜散電容（寄生電容）。
在本實施例中，變壓器110還可以包括連接元件LE。連接元件LE耦接於鐵芯CC與第一電容C1的第一端之間。也就是說，鐵芯CC經由連接元件LE電性連接至第一電容C1的第一端，藉以確保鐵芯CC上的各位置的電壓準位與第一電容C1的第一端的電壓準位一致。在一些實施例中，連接元件LE可以是銅箔。
在本實施例中，變壓器110的初級線圈T1以及次級線圈T2_1、T2_2圍繞於在繞線軸（未示出）上。繞線軸（未示出）包覆著鐵芯CC。以變壓器110而言，第二電容C2是存在於初級線圈T1與次級線圈T2_1/T2_2之間的雜散電容。第三電容C3_1是存在於鐵芯CC與一次側轉換電路120之間或是存在於鐵芯CC與初級線圈T1之間的雜散電容。第三電容C3_2是存在於鐵芯CC與二次側轉換電路130之間或是存在於鐵芯CC與初級線圈T2_1之間的雜散電容。第三電容C3_3是存在於鐵芯CC與二次側轉換電路130之間或是存在於鐵芯CC與初級線圈T2_2之間的雜散電容。在第一電容C1的設計上是將第一電容C1的電容值大於第二電容C2以及第三電容C3_1、C3_2、C3_3的電容值。一般而言，第二電容C2以及第三電容C3_1、C3_2、C3_3的電容值約為數十皮法拉（picofarad，pF），所以在第一電容C1的電容值可被設計為數百皮法拉或數千皮法拉。也因此，以共模雜訊而言，相較於第二電容C2以及第三電容C3_1、C3_2、C3_3，第一電容C1可形成較低的共模雜訊導通路徑P。當一次側轉換電路120進行操作而使變壓器110產生共模雜訊時，共模雜訊會經由共模雜訊導通路徑P傳導至一次側轉換電路120的接地端GND1。如此一來，共模雜訊不會經由上述雜散電容（即，第二電容C2以及第三電容C3_1、C3_2、C3_3）或變壓器110對輸入電壓的電壓轉換操作而進入二次側轉換電路130以干擾連接於二次側轉換電路130的電子元件。在一些實施例中，第一電容C1可以是安規電容（如，Y電容）。
請參考圖2，圖2是依據本發明第二實施例所繪示的電壓轉換器的電路示意圖。在本實施例中，一次側轉換電路220包括電壓切換電路222以及諧振轉換電路224。電壓切換電路222包括第一開關Q1以及第二開關Q2。第一開關Q1的第一端用以接收一輸入電壓Vin。第二開關Q2第一端耦接於該第一開關Q1的第二端。第二開關Q2的第二端耦接於一次側轉換電路220之接地端GND1。第一開關Q1以及第二開關Q2分別受控於控制訊號以被導通或斷開。諧振轉換電路224耦接於電壓切換電路222與該初級線圈T1之間，諧振轉換電路224包括諧振電感Lr、激磁電感Lm以及諧振電容Cr。該諧振電感Lr的第一端耦接於第二開關Q2的第一端。激磁電感Lm的第一端耦接於該諧振電感Lr的第二端。諧振電容Cr的第一端接於激磁電感Lm的第二端，諧振電容Cr的第二端耦接於一次側轉換電路220之接地端GND1。
二次側轉換電路包括整流電路232以及濾波電路234。整流電路232用以對經由變壓器所轉換的經轉換電壓進行整流操作。整流電路232包括整流開關S1、S2。整流開關S1的第一端耦接至次級線圈T2_1的輸出端。整流開關S2的第一端耦接至次級線圈T2_2的輸出端。整流開關S2的第二端耦接至整流開關S1的第二端。整流開關S1、S2分別受控於控制訊號以被導通或斷開。濾波電路234用以對經由變壓器110所轉換的經轉換電壓進行濾波操作。在本實施例中，濾波電路234耦接至整流電路232。濾波電路234的接地端耦接至二次側轉換電路230之接地端GND2。濾波電路234至少包括濾波電容Cout。濾波電容Cout的第一端耦接於次級線圈T2_1、T2_2的抽頭接點。濾波電容Cout的第二端耦接於二次側轉換電路的接地端GND2。在本實施例中整流電路232以及濾波電路234可協同地對變壓器100所轉換的經轉換電壓進行整流濾波操作，以提供輸出電壓Vout。
本實施例的電壓切換電路222、諧振轉換電路224、變壓器210以及整流電路232的組合可以實現半橋式諧振電路，因此電壓轉換器200可具有半橋式諧振電路的高功率密度的優點。在其他的實施例中，整流電路232的整流開關S1、S2可以由二極體來實現。本發明並不以本實施例的電壓切換電路222、諧振轉換電路224、整流電路232以及濾波電路234的耦接方式為限。在一些實施例中，本實施例的變壓器210以及第一電容C1可適用於全橋式諧振電路或反馳式（flyback）轉換電路。
值得一提的是，基於上述的電壓切換電路222、諧振轉換電路224、變壓器210以及整流電路232的組合可以使電壓轉換器200實現高功率密度。除此之外，第一電容C1耦接於鐵芯CC與一次側轉換電路220之接地端GND1之間以提供共模雜訊導通路徑P。因此，共模雜訊會經由共模雜訊導通路徑P被傳導到一次側轉換電路220之接地端GND1，而不會進入二次側轉換電路230以干擾連接於二次側轉換電路230的電子元件。
本實施例的變壓器210的相關實施細節，請參考圖1、圖2所示的變壓器110，因此恕不再此重述。
請參考圖3，圖3是依據本發明第三實施例所繪示的電壓轉換器的電路示意圖。在本實施例中，與第二實施例（圖2）的電壓轉換器200不同，電壓轉換器300還包括準位電路340。準位電路340包括電阻R。電阻R的第一端耦接至第一電容C1的第一端，電阻R的第二端耦接至二次側轉換電路330之接地端GND2。準位電路340用以依據電阻R的電阻值對鐵芯CC提供電壓準位。也就是說，準位電路340會依據電阻R以及通過電阻R的電流值以對鐵芯CC提供安全的電壓準位，藉以使電壓轉換器300在進行電磁兼容性（electromagnetic compatibility，EMC）測試或使用過程中，降低在二次側發生電弧的機會。除此之外，準位電路340也可以藉由電阻R來降低漏電流的發生，進而達到省電的效果。
在其他實施例中，準位電路340可以是具有稽那二極體的穩壓電路，本發明的準位電路340並不以第三實施例為限。
本實施例的電壓切換電路322、諧振轉換電路324、變壓器310、第一電容C1以及整流電路332的相關實施細節，請參考圖2所示的電壓切換電路222、諧振轉換電路224、變壓器210、第一電容C1以及整流電路220。
請參考同時參考圖1及圖4，圖4是依據本發明一實施例所繪示的電壓轉換方法流程圖示意圖。在步驟510中，提供至少一第一電容C1，並且至少一第一電容C1的第一端耦接至鐵芯CC以及使至少一第一電容C1的第二端耦接一次側轉換電路220之接地端GND1。在步驟520中，依據至少一第一電容C1的電容值提供共模雜訊導通路徑P。關於步驟510、520的實施細節，可以由圖1至圖3的實施例獲致足夠的教示，因此恕不再此重述。
綜上所述，本發明的電壓轉換器可藉由第一電容所提供的共模雜訊導通路徑來將電壓轉換器的共模雜訊傳導到一次側轉換電路的接地端。如此一來，共模雜訊不會經由上述雜散電容或變壓器對輸入電壓的電壓轉換操作而進入二次側轉換電路以干擾連接於二次側轉換電路的電子元件。除此之外，電壓轉換器還進一步包括準位電路。準位電路會依據電阻以及通過電阻的電流值以對鐵芯提供安全的電壓準位，藉以降低在二次側發生電弧的機會並且降低漏電流的發生，從而達到省電的效果。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300:電壓轉換器110、210、310:變壓器120、220、320:一次側轉換電路224:諧振轉換電路222:電壓切換電路130、230、330:二次側轉換電路232、332:整流電路234、334:濾波電路340:準位電路C1:第一電容C2:第二電容C3_1、C3_2、C3_3:第三電容CC:鐵芯Cout:濾波電容Cr:諧振電容GND1、GND2:接地端LE:連接元件Lm:激磁電感Lr:諧振電感P:共模雜訊導通路徑Q1:第一開關Q2:第二開關R:電阻S410、S420:步驟S1、S2:整流開關T1:初級線圈T2_1、T2_2:次級線圈Vin:輸入電壓Vout:輸出電壓
圖1是依據本發明第一實施例所繪示的電壓轉換器的電路示意圖。 圖2是依據本發明第二實施例所繪示的電壓轉換器的電路示意圖。 圖3是依據本發明第三實施例所繪示的電壓轉換器的電路示意圖。 圖4是依據本發明一實施例所繪示的電壓轉換方法流程圖示意圖。
100:電壓轉換器
110:變壓器
120:一次側轉換電路
130:二次側轉換電路
C1:第一電容
C2:第二電容
C3_1、C3_2、C3_3:第三電容
CC:鐵芯
GND1、GND2:接地端
LE:連接元件
P:共模雜訊導通路徑
T1:初級線圈
T2_1、T2_2:次級線圈
Vin:輸入電壓
Vout:輸出電壓

Claims (13)

  1. 一種降低共模雜訊的電壓轉換器，包括： 一變壓器，包括一繞線軸、一鐵芯、至少一初級線圈、至少一次級線圈，其中該至少一初級線圈及該至少一次級線圈圍繞於該繞線軸上，且該繞線軸包覆該鐵芯； 一一次側轉換電路，該一次側轉換電路耦接至該變壓器； 一二次側轉換電路，該二次側轉換電路耦接至該變壓器；以及 至少一第一電容，該至少一第一電容的第一端耦接至該鐵芯及該至少一第一電容的第二端耦接於該一次側轉換電路之接地端，用以依據該至少一第一電容的電容值提供一共模雜訊導通路徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換器，還包括： 至少一第二電容，耦接於該至少一初級線圈與該至少一次級線圈之間； 至少一第三電容，該至少一第三電容的第一端耦接至該鐵芯，該至少一第三電容的第二端耦接至該一次側轉換電路或該二次側轉換電路； 其中該至少一第一電容的電容值大於該至少一第二電容的電容值以及該至少一第三電容的電容值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電壓轉換器，其中當該一次側轉換電路所產生的一共模雜訊進入該變壓器時，使該共模雜訊經由該共模雜訊導通路徑傳導至該一次側轉換電路。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換器，還包括： 一準位電路，包括至少一電阻，該至少一電阻的第一端耦接至該至少一第一電容的第一端，該至少一電阻的第二端耦接至該二次側轉換電路之接地端，用以依據該至少一電阻的電阻值對該鐵芯提供一電壓準位。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的電壓轉換器，其中該一次側轉換電路包括： 一電壓切換電路，該電壓切換電路包括： 一第一開關，該第一開關的第一端用以接收一輸入電壓；以及 一第二開關，該第二開關的第一端耦接於該第一開關的第二端，該第二開關的第二端耦接於該一次側轉換電路之接地端。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電壓轉換器，其中該一次側轉換電路包括： 一諧振轉換電路，耦接於該電壓切換電路與該至少一初級線圈之間，該諧振轉換電路包括： 一諧振電感，該諧振電感的第一端耦接於該第二開關的第一端； 一激磁電感，該激磁電感的第一端耦接於該諧振電感的第二端；以及 一諧振電容，該諧振電容的第一端接於該激磁電感的第二端，該諧振電容的第二端耦接於該一次側轉換電路之接地端。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的電壓轉換器，其中當該電壓切換電路切換該輸入電壓時，該一次側轉換電路產生該共模雜訊。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換器，其中該二次側轉換電路包括： 一整流電路，用以對經由該變壓器所轉換的一經轉換電壓進行整流操作；以及 一濾波電路，用以對經由該變壓器所轉換的該經轉換電壓進行濾波操作，其中該濾波電路的接地端耦接至該二次側轉換電路之接地端。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換器，其中該鐵芯經由一連接元件電性連接至該至少一第一電容的第一端。
  10. 一種用於降低一電壓轉換器的共模雜訊的電壓轉換方法，其中該電壓轉換器包括一變壓器、一一次側轉換電路以及一二次側轉換電路，該變壓器包括一繞線軸、一鐵芯、至少一初級線圈、至少一次級線圈，其中該至少一初級線圈及該至少一次級線圈圍繞於該繞線軸上，且該繞線軸包覆該鐵芯，其中該一次側轉換電路耦接至該變壓器，該二次側轉換電路耦接至該變壓器，其中該電壓轉換方法包括： 提供至少一第一電容，並且使該至少一第一電容的第一端耦接至該鐵芯以及使該至少一第一電容的第二端耦接至該一次側轉換電路之接地端；以及 依據該至少一第一電容的電容值提供一共模雜訊導通路徑。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的電壓轉換方法，其中該電壓轉換器還包括至少一第二電容以及至少一第三電容，該至少一第二電容耦接於該至少一初級線圈與該至少一次級線圈之間，該至少一第三電容的第一端耦接至該鐵芯，該至少一第三電容的第二端耦接至該一次側轉換電路或該二次側轉換電路，其中提供該至少一第一電容的步驟包括： 提供該至少一第一電容的電容值，其中該至少一第一電容的電容值大於該至少一第二電容的電容值以及該至少一第三電容的電容值。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的電壓轉換方法，其中依據至少一第一電容的電容值提供該共模雜訊導通路徑的步驟包括： 接收一輸入電壓；以及 當該輸入電壓被切換時，使該一次側轉換電路所產生的該共模雜訊經由該共模雜訊導通路徑被傳導至該一次側轉換電路之接地端。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的電壓轉換方法，還包括： 提供包括至少一電阻的一準位電路，使該至少一電阻的第一端耦接該至少一第一電容的第一端，以及使該至少一電阻的第二端耦接該二次側轉換電路之接地端；以及 依據該準位電路的電阻值對該鐵芯提供一電壓準位。
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