TWI693782B - 整合之三態電磁干擾濾波器及線路調節模組及相關操作方法 - Google Patents

整合之三態電磁干擾濾波器及線路調節模組及相關操作方法 Download PDF

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Abstract

本發明闡述與用於低側線路暫態之主動升壓轉換器及/或用於高側線路暫態之主動截波器整合在一起之被動電磁干擾(EMI)濾波器之系統、方法及物件。在穩態操作期間，停用主動電路，因此該電路用作被動EMI濾波器。在穩態操作期間用於該被動EMI濾波器中之電感及電容組件可起到雙重作用且在輸入電壓低於低線路穩態時變為升壓轉換器之部分，且在某些變化形式中，該等電感及電容組件可在該輸入電壓高於高線路穩態位準時變為暫態截波器之部分。該暫態截波器可實施為線性通過元件或開關模式轉換器(例如，降壓轉換器)。

Description

整合之三態電磁干擾濾波器及線路調節模組及相關操作方法
本發明一般而言係關於用於電力系統之濾波及調節組件。
依據運載工具電力操作之直流至直流(DC/DC)轉換器(例如，太空船、航空器、飛彈、地面運載工具、船舶應用)經設計以在標稱操作點(例如，28V dc)附近之穩態電壓範圍內操作，且適應其輸入處之暫態。該等暫態可表徵為輸入電壓中之突波及下陷以及一個種類或另一種類之電壓尖波。一般而言，突波及下陷係來自具有相對低源阻抗之源的具有相對長持續時間之電壓增加/減小。尖波具有短得多之持續時間，具有較高振幅，可具有任一極性，且其能量通常受限制。
開關模式電力轉換器(SMPC)係電子設備中之電磁干擾(EMI)之源。為了符合嚴格電磁相容性(EMC)要求，在SMPC之輸入處經常需要EMI濾波器。EMI濾波器之設計目的在於達成所需要插入損耗(IL)，亦即來自開關模式DC/DC轉換器之非想要之電磁發射(EME)之功率之衰減。
SMPC係最廣泛使用之DC電源供應器，此乃因SMPC與線性電源供應器相比較顯著更小、更輕且更高效。SMPC之主要缺點係在其輸入處之電流相關電磁干擾(EMI)及在其輸出處之電壓相關干擾。負載之要求指定輸出濾波器之設計，此係轉換器及其控制器之設計之重要 部分。另一方面，輸入EMI濾波器對於轉換器自身之操作通常並非必要的。EMI濾波器之設計目的在於達成所需要插入損耗(IL)，亦即來自開關模式DC/DC轉換器之非想要之電磁發射(EME)之功率之衰減。輸入濾波器之任務係確保系統內或關於相鄰系統之EMC，且符合相關EMC標準。
圖1展示定位於切換電力轉換器12與輸入電壓源14之間的EMI濾波器10之實例。假設EMI濾波器10之組件不隨時間變化，則可將EMI濾波器視為被動線性電路。
EMI濾波器10包含單個共同模式濾波器級16，共同模式濾波器級16包含共同模式EMI抗流器或電感器LCM以及兩個旁通電容器CY1及CY2。EMI濾波器10亦包含單個差動模式濾波器級18，差動模式濾波器級18包含差動模式EMI電感器LDM1及旁通電容器CX1。EMI濾波器10耦合在切換電力轉換器12(或其他雜訊源)之輸入端子20、22與輸入電源14之輸出端子24、26之間。電力轉換器112產生共同模式雜訊及差動模式雜訊。
當差動電流(諸如切換電力轉換器12之正常操作電流)通過共同模式EMI電感器LCM時，差動電流在共同模式EMI電感器LCM之兩個繞組中抵消。因此，不存在共同模式EMI電感器LCM之芯之淨磁化。因此，共同模式EMI電感器LCM對差動電流不具有影響。相比之下，當共同模式雜訊電流通過共同模式EMI電感器LCM時，共同模式雜訊電流使共同模式EMI電感器LCM之芯磁化。因此，共同模式EMI電感器LCM針對共同模式雜訊電流展示高阻抗以便阻止共同模式雜訊電流污染輸入電源。
兩個共同模式旁通電容器CY1及CY2串聯連接且耦合在電力轉換器112之兩個輸入端子之間。兩個共同模式旁通電容器CY1及CY2之接合節點28耦合至接地。共同模式旁通電容器CY1及CY2將由電力轉換器12 產生之共同模式雜訊傳導至接地。
差動模式EMI抗流器或電感器LDM1耦合在共同模式EMI電感器LCM與電力轉換器12之正輸入20之間。差動模式EMI電感器LDM1抑制由電力轉換器12產生之差動模式雜訊。
差動模式旁通電容器CX1耦合在電力轉換器12之輸入端子20及22與差動模式EMI電感器LDM1之間且與共同模式旁通電容器CY1及CY2並聯連接。
一般而言，切換電力轉換器與輸入電壓源之間需要EMI濾波以達成對關於所傳導發射之規章限制之合規性。舉例而言，MIL-STD-461定義針對在軍事應用中使用之子系統及設備之EMI要求。關於EMC之歐洲共同體指令(Euro-Norm EN 55022或55081)係關於所傳導射頻發射之另一常見工業標準。
通常在商業航空航天及軍事應用中使用之電力轉換器可經設計用於其中輸入電壓源係28V DC輸入(標稱)之應用。輸入電壓源通常由規格或標準定義。對於軍事空運應用，此標準可係MIL-STD-704。對於軍事地面應用，標準可係MIL-STD-1275，且對於船上應用，標準可係MIL-STD-1399。商業航空航天應用可使用MIL-STD-704標準且更經常使用DO-160標準。某些商業航空航天應用可利用其中28V DC源係由GJB181-1986及GJB181A-20標準定義之標準。
此等源要求文件中之每一者定義輸入電壓之穩態範圍及需要負載設備(例如，電力轉換器)接受之暫態電壓範圍。此等文件中之每一者具有隨著時間而通常朝向對暫態極端值及有時對穩態範圍以及發電設備之更嚴格限制演變且對其等之控制得以改良的若干個修訂。然而，當正開發產品時，期望產品能夠在可能之最寬廣範圍內操作使得可在最大數目個平臺(包含當源規格之早期版本為適當時開發之彼等平臺)上使用該產品。此對於定製產品亦係典型的，此乃因諸多平臺 仍在服務中已多年，且尤其當應用之目標係用於出售給多個平臺時。
舉例而言，跨越此等文件之28V輸入源之穩態範圍通常來自22V DC至29V DC之最窄範圍及18V DC至36V DC之最寬範圍。最寬暫態電壓範圍來自MIL-STD-1275，MIL-STD-1275規定100V之高暫態位準及6V之低暫態位準(當需要搖動(cranking)期間之操作時)。
諸多標準DC/DC轉換器經設計以依據28V輸入源操作，接受15至40V穩態及50V暫態。舉例而言，某些DC/DC轉換器可經設計以用於15至50V穩態及80V暫態。
為了使用具有輸入源(具有較寬穩態及暫態要求)之此等電力轉換器，三個額外功能可需要添加至轉換器，亦即，EMI濾波器、升壓轉換器(例如，用於在8V與15V之間的低暫態)及暫態限幅器(例如，用於在50V與80V之間的高暫態)。此等功能可添加至電力轉換器作為單獨功能組件。
一般通過以下方式完成電力轉換器所需要之寬輸入範圍：將電力轉換器設計為在全輸入範圍內操作；或取決於電力轉換級之所需要輸入範圍及經設計輸入範圍而添加單獨升壓及/或暫態截波/限幅功能區塊。需要電力轉換器在輸入電源具有極寬輸入範圍(例如，多達10：1)時在全輸入範圍內操作導致對電力轉換器設計之折衷，包含較低效率。此等設計亦阻止未經設計以用於所需要寬輸入範圍之現有可用轉換器之使用。此外，針對EMI合規性、電力轉換及低側(升壓)或高側(截波/限幅)功能使用單獨功能區塊可達成良好電效能，但一般需要更大體積及更高成本。
一種電磁干擾(EMI)濾波器及線路調節(EMI-LC)電路，該EMI-LC電路具有可耦合至輸入電源之輸出之輸入及可耦合至雜訊源之輸入之輸出，該EMI-LC電路可經總結為包含：被動差動模式EMI濾波器電 路，其包含差動模式EMI電感器及差動模式EMI電容器；升壓轉換器電路，其包含升壓控制開關、升壓輸出開關、該差動模式EMI電感器及該差動模式EMI電容器；回饋電路，其可操作地耦合至該EMI-LC電路之該輸入以在該EMI-LC電路之該輸入處感測輸入特性資訊；及控制電路，其操作地耦合至該回饋電路以自該回饋電路接收該輸入特性資訊且操作地耦合至該升壓控制開關，該控制電路至少部分地基於自該回饋電路接收之該輸入特性資訊而至少將該升壓控制開關控制為進行如下操作中之一者：停用該升壓轉換器電路或啟用該升壓轉換器電路。
該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關可包含金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，且該控制電路可在停用該升壓轉換器電路時將該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關控制為處於接通狀態中且在啟用該升壓轉換器電路時將該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關控制為處於關斷狀態中。該升壓轉換器之該升壓輸出開關可包含二極體。該EMI-LC電路可進一步包含：被動共同模式EMI濾波器，其包含共同模式EMI電感器及至少兩個旁通EMI電容器。該控制電路可將脈衝寬度調變信號施加至該升壓控制開關之控制節點以啟用該升壓轉換器電路。該控制電路可將該升壓轉換器電路之該升壓控制開關控制為處於關斷狀態中以停用該升壓轉換器電路。該控制電路可在該EMI-LC電路之該輸入處之電壓低於所判定電壓位準時將該升壓轉換器電路之該升壓控制開關控制為啟用該升壓轉換器電路，且該控制電路可在該EMI-LC電路之該輸入處之該電壓處於或高於該所判定電壓位準時將該升壓轉換器電路之該升壓控制開關控制為停用該升壓轉換器電路。該EMI-LC電路可進一步包含：線性調整器電路，其耦合在該EMI-LC電路之該輸入與該EMI-LC電路之該輸出之間，該線性調整器電路包含可控制線性通過元件，其中該控制電路操作地耦合至該線性通過元 件，且該控制電路在該EMI-LC電路之該輸入處之電壓高於所判定電壓位準時控制該線性通過元件以增加該線性通過元件之電阻。該線性通過元件可包含MOSFET或雙極型接面電晶體(BJT)中之至少一者。該EMI-LC電路可進一步包含：降壓轉換器電路，其包含降壓控制開關、降壓分流開關、該差動模式EMI電感器及該差動模式EMI電容器，其中控制電路操作地耦合至該降壓控制開關，且該控制電路至少部分地基於自該回饋電路接收之該輸入特性資訊而將該降壓控制開關控制為進行如下操作中之一者：停用該降壓轉換器電路或啟用該降壓轉換器電路。該升壓轉換器之該降壓分流開關可包含二極體。該EMI-LC電路可進一步包含：被動共同模式EMI濾波器，其包含共同模式EMI電感器及至少兩個旁通電容器。該控制電路可將脈衝寬度調變信號施加至該降壓控制開關之控制節點以啟用該降壓轉換器電路。該控制電路可將該降壓轉換器電路之該降壓控制開關控制為處於接通狀態中以停用該降壓轉換器電路。該控制電路可在該EMI-LC電路之該輸入處之電壓高於所判定電壓位準時將該降壓轉換器電路之該降壓控制開關控制為啟用該降壓轉換器電路，且該控制電路可在該EMI-LC電路之該輸入處之該電壓處於或低於該所判定電壓位準時將該降壓轉換器電路之該降壓控制開關控制為停用該降壓轉換器電路。該控制電路可包含脈衝寬度調變(PWM)控制電路且該雜訊源可包含DC/DC切換電力轉換器。該EMI-LC電路可進一步包含：暫態限幅器電路，其包含線性調整器電路或切換調整器電路中之一者，其中在操作中該切換調整器電路利用該差動模式EMI電感器及該差動模式EMI電容器。
一種電磁干擾(EMI)濾波器及線路調節(EMI-LC)電路，該EMI-LC電路具有可耦合至輸入電源之輸出之輸入及可耦合至雜訊源之輸入之輸出，該EMI-LC電路可經總結為包含：被動差動模式EMI濾波器電 路，其包含差動模式EMI電感器及差動模式EMI電容器；被動共同模式EMI濾波器，其包含共同模式EMI電感器及至少兩個旁通EMI電容器；升壓轉換器電路，其包含升壓控制開關、升壓輸出開關、該差動模式EMI電感器及該差動模式EMI電容器；暫態限幅器電路，其包含線性調整器電路或切換調整器電路中之一者，其中在操作中該切換調整器電路利用該差動模式EMI電感器及該差動模式EMI電容器；回饋電路，其可操作地耦合至該EMI-LC電路之該輸入以感測由該輸入電源在該EMI-LC電路之該輸入處施加之輸入電壓位準；及控制電路，其操作地耦合至該回饋電路以自該回饋電路接收輸入電壓位準指示且操作地耦合至該升壓控制開關，該控制電路至少部分地基於自該回饋電路接收之該輸入電壓位準指示而將該升壓控制開關控制為進行如下操作中之一者：停用該升壓轉換器電路或啟用該升壓轉換器電路。
該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關可包含金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，且該控制電路可在停用該升壓轉換器電路時將該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關控制為處於接通狀態中且可在啟用該升壓轉換器電路時將該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關控制為處於關斷狀態中。該升壓轉換器之該升壓輸出開關可包含二極體。
一種用以控制電磁干擾(EMI)濾波器及線路調節(EMI-LC)電路之操作方法，該EMI-LC電路具有可耦合至輸入電源之輸出之輸入及可耦合至雜訊源之輸入之輸出，該EMI-LC電路可經總結為包含：被動差動模式EMI濾波器電路，其包含差動模式EMI電感器及差動模式EMI電容器；升壓轉換器電路，其包含升壓控制開關、升壓輸出開關、該差動模式EMI電感器及該差動模式EMI電容器；回饋電路，其可操作地耦合至該EMI-LC電路之該輸入以在該EMI-LC電路之該輸入處感測輸入特性資訊；及控制電路，其操作地耦合至該回饋電路及該升壓控制開關，該方法包括：在該控制電路處自該回饋電路接收該輸 入特性資訊；及至少部分地基於自該回饋電路接收之該輸入特性資訊而經由該控制電路將該升壓控制開關控制為進行如下操作中之一者：停用該升壓轉換器電路或啟用該升壓轉換器電路。
該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關可包含金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，該方法可進一步包含：在停用該升壓轉換器電路時經由該控制電路將該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關控制為處於接通狀態中；及在啟用該升壓轉換器電路時經由該控制電路將該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關控制為處於關斷狀態中。控制該升壓控制開關可包含將脈衝寬度調變信號施加至該升壓控制開關之控制節點以啟用該升壓轉換器電路。控制該升壓控制開關可包含將該升壓轉換器電路之該升壓控制開關控制為處於關斷狀態中以停用該升壓轉換器電路。將該升壓轉換器電路之該升壓控制開關控制為啟用該升壓轉換器電路可包含在該EMI-LC電路之該輸入處之電壓低於所判定電壓位準時將該升壓控制開關控制為啟用該升壓轉換器電路，且將該升壓轉換器電路之該升壓控制開關控制為停用該升壓轉換器電路包括在該EMI-LC電路之該輸入處之該電壓處於或高於該所判定電壓位準時將該升壓控制開關控制為停用該升壓轉換器電路。該EMI-LC可包含耦合在該EMI-LC電路之該輸入與該EMI-LC電路之該輸出之間的線性調整器電路，該線性調整器電路可包含可控制線性通過元件；且該控制電路可操作地耦合至該線性通過元件，該方法可進一步包含：在該EMI-LC電路之該輸入處之電壓高於所判定電壓位準時經由該控制電路控制該線性通過元件以增加該線性通過元件之電阻。該EMI-LC電路可包含降壓轉換器電路，該降壓轉換器電路包含降壓控制開關、降壓分流開關、該差動模式EMI電感器及該差動模式EMI電容器；且該控制電路可操作地耦合至該降壓控制開關，該方法可進一步包含：至少部分地基於自該回饋電路接收之該輸入特性資訊而經由該控制電路 將該降壓控制開關控制為進行如下操作中之一者：停用該降壓轉換器電路或啟用該降壓轉換器電路。控制該降壓控制開關可包含將脈衝寬度調變信號施加至該降壓控制開關之控制節點以啟用該降壓轉換器電路。控制該降壓控制開關可包含將該降壓轉換器電路之該降壓控制開關控制為處於接通狀態中以停用該降壓轉換器電路。將該降壓控制開關控制為啟用該降壓轉換器電路可包含在該EMI-LC電路之該輸入處之電壓高於所判定電壓位準時將該降壓轉換器電路之該降壓控制開關控制為啟用該降壓轉換器電路；且將該降壓控制開關控制為停用該降壓轉換器電路可包含在該EMI-LC電路之該輸入處之該電壓處於或低於該所判定電壓位準時將該降壓轉換器電路之該降壓控制開關控制為停用該降壓轉換器電路。
10:電磁干擾濾波器
12:切換電力轉換器/電力轉換器
14:輸入電壓源/輸入電源
16:共同模式濾波器級
18:差動模式濾波器級
20:輸入端子/正輸入
22:輸入端子
24:輸出端子
26:輸出端子
28:接合節點
100:電磁干擾濾波器及線路調節模組或電路
102:輸出端子/正輸出端子
104:輸出端子/輸出共同端子
106:輸入電源/輸入電源供應器
108:輸入端子/正輸入端子
110:輸入端子
112:電力轉換器/切換電力轉換器/下游電力轉換器
114:共同模式濾波器級/共同模式電磁干擾濾波器級
116:差動模式濾波器級/第一差動模式電磁干擾濾波器級/第一級
118:接合點
120:控制器
122:回饋電路
124:本體二極體
130:電磁干擾濾波器及線路調節模組
132:降壓分流二極體/降壓二極體
150:電磁干擾濾波器及線路調節模組
152:第二差動模式電磁干擾濾波器級
CX1:差動模式旁通電容器/差動模式電磁干擾電容器/差動模式電容器/電容器
CX2:第二差動模式電磁干擾電容器/電容器
CY1:旁通電容器/共同模式旁通電容器
CY2:旁通電容器/共同模式旁通電容器
LCM:共同模式電磁干擾抗流器/共同模式電磁干擾電感器/共同模式抗流器或電感器
LDM1:差動模式電磁干擾抗流器/差動模式電磁干擾電感器/差 動模式抗流器或電感器/電磁干擾電感器/電感器
LDM2:第二差動模式電磁干擾電感器/第二級電感器
S1:開關/第一開關
S2:開關/第二開關
S3:開關/第三開關
在各圖式中，相同參考編號識別類似元件或行為。圖式中元件之大小及相對位置未必係按比例繪製。舉例而言，各種元件之形狀及角度未必按比例繪製，且此等元件中之某些元件經任意放大及定位以改良圖式清晰度。進一步地，如所繪製之元件之特定形狀未必意欲表達關於特定元件之實際形狀之任何資訊，且可僅為易於在圖式中辨識而選擇。
圖1係耦合在輸入電源與切換電力轉換器之間的習用EMI濾波器之功能示意圖。
圖2係根據至少一項所圖解說明實施例之耦合在輸入電源與切換電力轉換器之間的整合之EMI濾波器及線路調節模組之功能示意圖，該整合之EMI濾波器及線路調節模組包含EMI濾波器、升壓轉換器及線性調整器。
圖3係根據至少一項所圖解說明實施例之耦合在輸入電源與切換電力轉換器之間的整合之EMI濾波器及線路調節模組之功能示意圖， 該整合之EMI濾波器及線路調節模組包含EMI濾波器、升壓轉換器及降壓轉換器。
圖4係根據至少一項所圖解說明實施例之耦合在輸入電源與切換電力轉換器之間的整合之EMI濾波器及線路調節模組之功能示意圖，該整合之EMI濾波器及線路調節模組包含具有雙重差動模式濾波器級之EMI濾波器、升壓轉換器及降壓轉換器。
在以下說明中，陳述某些特定細節以便提供對各種所揭示實施例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，可在不具有此等特定細節中之一或多者之情況下或藉助其他方法、組件、材料等來實踐實施例。在其他例項中，未展示或詳細闡述與各種實施例相關聯之眾所周知之結構以避免不必要地使對實施例之說明模糊。
除非上下文另有需要，否則貫穿以下說明書及申請專利範圍，措辭「包括」與「包含」同義，且係包含性或開放式的(亦即，不排除額外未陳述之元件或方法行為)。
此說明書通篇中對「一項實施例」或「一實施例」之提及意指與該實施例一起闡述之一特定特徵、結構或特性包含於至少一項實施例中。因此，在本說明書通篇中之各處出現之片語「在一項實施例中」或「在一實施例中」未必全部係指同一實施例。此外，特定特徵、結構或特性可以任一適合方式組合於一或多個實施例中。
除非上下文另有明確指明，否則如本說明書及隨附申請專利範圍中所使用，單數形式「一(a、an)」及「該」包括複數個指示物。亦應注意，術語「或」一般在其最寬廣意義上經採用，亦即，如意味「及/或」，除非上下文另有明確指明。
本文中所提供之本發明之標題及發明摘要僅為方便起見且並不解釋實施例之範疇或含義。
本發明之實施方案針對於用於將被動EMI濾波器之功能及特徵與用於高側線路暫態之主動截波器及/或用於低側線路暫態之主動升壓轉換器整合在一起之系統及方法。在穩態操作期間，停用主動電路，因此該電路用作被動EMI濾波器。在穩態操作期間用於該被動EMI濾波器中之電感及電容組件可起到雙重作用且在該輸入電壓低於低線路穩態時變為升壓轉換器之部分，且在某些變化形式中，該被動EMI濾波器之該等電感及電容組件可在該輸入電壓高於高線路穩態位準時變為暫態截波器之部分。
如下文進一步論述，暫態截波器可實施為在正常操作中飽和接通之線性通過元件(圖2)或實施為開關模式轉換器，例如，降壓調整器(圖3)。
藉由在超出穩態範圍時出於其他目的而利用EMI濾波器，僅在超出穩態範圍操作時需要之其他電力脈列(power train)功能可整合至EMI濾波器中，此提供體積及/或成本減少。
圖2展示整合之EMI濾波器及線路調節(EMI-LC)模組或電路100之示意性功能圖。舉例而言，EMI-LC模組100可定位在輸入電源106之輸出端子102及104與切換電力轉換器112(或其他下游雜訊源)之輸入端子108及110之間。
EMI-LC模組100包含單個共同模式濾波器級114，共同模式濾波器級114包含共同模式抗流器或電感器LCM以及兩個旁通電容器CY1及CY2。EMI-LC模組100亦包含單個差動模式濾波器級116，差動模式濾波器級116包含差動模式EMI電感器LDM1及旁通電容器CX1。EMI-LC模組100耦合在切換電力轉換器112(或其他雜訊源)之輸入端子108及110與輸入電源供應器106之輸出端子102及104之間。電力轉換器112產生共同模式雜訊及差動模式雜訊。EMI-LC模組100可應用於各種隔離式電力轉換器，包含但不限於LLC共振轉換器、半橋轉換器、全橋轉換 器、返馳轉換器、順向轉換器、推拉轉換器及諸如此類。此外，EMI-LC模組亦可應用於各種非隔離式電力轉換器，包含但不限於降壓切換轉換器、升壓切換轉換器、降壓-升壓切換轉換器及諸如此類。
當差動電流(諸如切換電力轉換器112之正常操作電流)通過共同模式EMI電感器LCM時，差動電流在共同模式EMI電感器LCM之兩個繞組中抵消。因此，不存在共同模式EMI電感器LCM之芯之淨磁化。因此，共同模式EMI電感器LCM對差動電流不具有影響。相比之下，當共同模式雜訊電流通過共同模式EMI電感器LCM時，共同模式雜訊電流使共同模式EMI電感器LCM之芯磁化。因此，共同模式EMI電感器LCM針對共同模式雜訊電流展示高阻抗以便阻止共同模式雜訊電流污染輸入電源。
兩個共同模式旁通電容器CY1及CY2串聯連接且耦合在電力轉換器112之兩個輸入端子108與110之間。兩個共同模式旁通電容器CY1及CY2之接合點118耦合至接地。共同模式旁通電容器CY1及CY2抑制由電力轉換器112產生之共同模式雜訊。
差動模式抗流器或電感器LDM1耦合在共同模式EMI電感器LCM與電力轉換器112之正輸入端子108之間。差動模式EMI電感器LDM1抑制由電力轉換器112產生之差動模式雜訊。
差動模式旁通電容器CX1耦合在電力轉換器112之輸入端子108及110與差動模式EMI電感器LDM1之間且與共同模式旁通電容器CY1及CY2並聯連接。
如圖2中所展示，第一開關S1耦合在輸入電源106之正輸出端子102與共同模式EMI電感器LCM之間。可稱為分流開關或升壓轉換器開關之第二開關S2跨越差動模式EMI電感器LDM1與第三開關S3之間的線路端子耦合，第三開關S3耦合在差動模式EMI電感器LDM1與切換電力 轉換器112之正輸入端子108之間。開關S1、S2及S3各自耦合至操作以選擇性地控制開關之斷開及閉合之控制器120(例如，脈衝寬度調變(PWM)控制器)。開關S1、S2及S3可係任何類型之適合開關，諸如被動半導體開關(例如，二極體)或主動半導體開關(例如，金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、雙極型接面電晶體(BJT)、絕緣閘極雙極型電晶體(IGBT))或其一或多個組合。
在某些實施方案中，回饋電路122可跨越EMI-LC模組100之輸入端子(其耦合至輸入電源106之輸出端子102及104)耦合。回饋電路122在EMI-LC模組之輸入(亦即，輸入電源106之輸出端子102及104)處偵測輸入特性資訊(例如，電壓)且將此等所偵測輸入特性資訊之指示符提供至控制器120。舉例而言，回饋電路122可包含實施一或多個分壓器電路及/或一或多個電流感測電路之一或多個電阻器。控制器120可利用該所偵測輸入特性資訊來調整開關S1、S2及S3之控制。
藉由添加三個開關S1、S2及S3以及控制器120，EMI-LC模組100可執行使低輸入電壓升壓且限制高暫態電壓之功能。當來自輸入電源106之輸入電壓在穩態範圍中時，可在正常操作中藉由使第一開關S1及第三開關S3接通(亦即，閉合)且使第二開關S2關斷(亦即，斷開)而停用此等功能。因此，在開關S1、S2及S3在此等狀態中之情況下，EMI-LC模組100充當習用EMI濾波器(EMI濾波器模式)，如上文所論述。
當輸入電壓上升至設定為高於穩態電壓(例如，28V)之設定點(例如，45V)以上時，第一開關S1可用於在暫態限幅/截波操作模式中實施線性調整器。亦即，控制器120在第一開關之線性模式中操作第一開關S1，因此第一開關操作為與EMI-LC模組100之輸出串聯之可變電阻器。回饋電路122感測輸入電壓且將所感測輸入電壓之指示符提供至控制器120，控制器120在第一開關S1之線性模式中控制第一開關 S1以調整施加至第一開關S1之控制電壓。用於將第一開關S1操作為線性調整器之設定點應設定為高於輸入電壓之穩態範圍但低於下游電力轉換器112之暫態極限。在實踐中，設定點可設定為儘可能高的以限制暫態模式中之耗散但允許電路容差，因此最高輸出總是低於電力轉換器112或其他跟隨模組之暫態極限。第一開關S1經展示為N通道增強類型MOSFET，但可用不同類型之半導體開關(例如，雙極型接面電晶體(BJT))或其他適合組件實施此功能性。
如圖2中所展示，將第二開關S2放置為在差動模式EMI電感器LDM1後面之分流器。第二開關S2在正常操作期間由控制器120控制為關斷。當輸入電壓經判定為低於穩態電壓位準時，第二開關S2可在升壓操作模式中用作升壓轉換器之切換元件。升壓轉換器利用差動模式EMI電感器LDM1作為升壓電感器且利用差動模式EMI電容器CX1作為升壓電容器。
當在升壓模式中操作時，第一開關S1經控制為處於接通狀態中。第三開關S3經控制為處於關斷狀態中(亦即，斷開)且第三開關S3中固有之本體二極體124充當升壓輸出二極體。如上文所述，當EMI-LC模組100不在升壓模式中時可接通第三開關S3以減少電力耗散。在某些實施方案中，第三開關S3可在升壓操作模式期間經切換以操縱為同步整流器，此可減少電力消耗。
在升壓操作模式中，控制器120將高頻率方波(例如，PWM信號)供應至第二開關S2之閘極。在第二開關S2導電時之接通週期期間，輸入電流流動穿過差動模式EMI電感器LDM1，且經由第二開關S2直接返回至輸入電源供應器106之輸出共同端子104，藉此充電得出差動模式EMI電感器LDM1周圍之磁場。當接通第二開關S2時，第三開關S3之本體二極體124無法導電，此乃因其陽極藉由重度導電之第二開關S2保持在接地電位。在接通週期之持續時間內，切換電力轉換器112完全 由差動模式電容器CX1上之電荷(在先前振盪器循環上積聚)供電。
在第二開關S2之關斷週期之開始處，給差動模式EMI電感器LDM1充電且將差動模式電容器CX1部分地放電。差動模式EMI電感器LDM1現在產生反電動勢(emf)，該反電動勢具有取決於在第二開關S2切換時之電流改變速率且取決於EMI電感器LDM1擁有之電感量的值。跨越差動模式EMI電感器LDM1之電壓之極性現在經反轉，且因此添加至輸入電壓，從而給出至少等於或大於輸入供應電壓之輸出電壓。第三開關S3之本體二極體124現在經正向偏壓且因此電路電流給電力轉換器112供電，且同時給差動模式EMI電容器CX1再充電以準備第二開關之下一接通週期。
圖3展示EMI-LC模組130之另一實施方案。EMI-LC模組130在諸多方面類似於圖2之EMI-LC模組100，因此為了簡潔而在此處僅論述兩個模組之間的差異。在此實施方案中，第一開關S1在開關模式中操作為降壓轉換器而非操作為線性調整器。在此實施方案中，第一開關S1定位在共同模式濾波器級114之後。降壓轉換器使用作為降壓電感器之差動模式EMI電感器LDM1、作為降壓輸出電容器之差動模式電容器CX1，及跨越第一開關S1與差動模式EMI電感器LDM1之間的線路放置之降壓分流二極體132。舉例而言，降壓二極體132可係肖特基類型二極體。
現在闡述當輸入電壓高於穩態電壓時在降壓模式中操作EMI-LC模組130。在降壓模式中，連續地關斷第二開關S2且可連續地接通第三開關S3。藉由來自控制器120之高頻率方波(例如，PWM信號)接通及關斷第一開關S1。當接通第一開關S1時，電流流動穿過差動模式EMI電感器LDM1，從而充電得出其磁場，給差動模式EMI電容器CX1充電，且給電力轉換器112供電。由於降壓二極體132之陰極上之正電壓而關斷降壓二極體132。
當控制器120關斷第一開關S1時，初始電流源現在係差動模式EMI電感器LDM1。差動模式EMI電感器之LDM1磁場崩潰，此產生使跨越差動模式EMI電感器之電壓之極性反轉之反emf。此動作接通降壓二極體132使得電流流動穿過第三開關S3到達電力轉換器112。
當歸因於差動模式EMI電感器LDM1之放電之電流減小時，在第一開關S1之接通週期期間在差動模式EMI電容器CX1中累積之電荷現在亦添加至流動穿過電力轉換器112之電流，從而在關斷週期期間使輸出電壓保持合理地恆定。此幫助使漣波振幅保持至最小值且使輸出電壓保持在設定值附近。
存在可實施之EMI-LC模組130之若干個變化形式。舉例而言，某些設計可利用雙極型電晶體而非MOSFET。在高電壓設計中，可優先於肖特基類型二極體而使用矽二極體，此歸因於矽二極體之較高反向電壓能力。在其他變化形式中，可使用同步切換，其中替代使用僅僅回應於跨越二極體之電壓極性之二極體，由控制器120控制之同步化MOSFET執行切換。
控制器120亦可實行其他功能，諸如過電流及過電壓保護，以及正常振盪器及脈衝寬度調變功能以調整輸出電壓。
圖4展示EMI-LC模組150之另一實施方案。EMI-LC模組150在諸多方面類似於分別圖2及圖3之EMI-LC模組100及130，因此為了簡潔而在此處僅論述差異。
在此實施方案中，EMI-LC模組150包含串聯耦合在共同模式EMI濾波器級114與(第一)差動模式EMI濾波器級116之間的第二差動模式EMI濾波器級152。類似於第一差動模式EMI濾波器級116，第二差動模式EMI濾波器級152包含第二差動模式EMI電感器LDM2及第二差動模式EMI電容器CX2。
通常，第二差動模式EMI濾波器級152(最接近於輸入電源106)具 有較高角頻率且第一差動模式EMI濾波器級116具有較低角頻率，且因此具有較大電感器及電容器值。在此組態中，第一級116之較大電感器LDM1及電容器CX1可係較佳組件以在升壓模式及/或降壓模式中用作切換模式轉換器元件(升壓及/或降壓)。額外益處係，較高頻率第二級電感器LDM2及電容器CX2仍提供升壓轉換器及/或降壓轉換器之某一濾波，甚至在暫態模式(亦即，非穩態模式)期間。
EMI-LC模組亦可組態有一個以上差動或共同模式EMI濾波器級。一般而言，應存在至少一個差動模式濾波器級且半導體裝置應經組態以分別針對升壓電感器及電容器利用彼級中之差動模式EMI電感器及電容器。而且，若用降壓轉換器執行高側暫態限幅，則分別針對降壓電感器及降壓輸出電容器利用差動模式EMI電感器及差動模式EMI電容器。
在實際之情況下，高側限幅可受益於線性調整器(圖2)而非降壓轉換器(圖3)之使用，此由於線性調整器之控制之簡單且由於在使用線性調整器時EMI濾波器仍提供用於高暫態之濾波功能。雖然EMC合規性在暫態模式中沒有任何意義，且無法經量測，但預期尤其在降壓模式中可存在關於系統雜訊之擔憂，此乃因此模式在輸入源處、至少在單一級濾波器中產生方波電流。相比之下，用於低暫態電壓之升壓模式產生取決於電感器值及負載電流而可為連續之三角輸入電流，且一般將不那麼令人擔憂。
有利地，藉由實施上文所論述之特徵，與設計DC/DC轉換以用於接受全輸入範圍之選項相比較，DC/DC轉換器可針對效率及密度更佳地最佳化。進一步地，本文中所論述之實施方案允許使用具有較寬輸入要求、具有最小額外大小及成本之現有常備DC/DC轉換器模組。與針對EMI濾波器、升壓轉換器、高側暫態限幅器及DC/DC轉換器具有單獨模組之選項相比較，本文中所論述之實施方案減少實體模組之數 目以及其經組合大小及/或成本。
前述詳細說明已經由使用方塊圖、示意圖及實例陳述裝置及/或程序之各種實施例。只要此等方塊圖、示意圖及實例含有一或多個功能及/或操作，熟習此項技術者即將理解，可藉由一寬廣範圍之硬體、軟體、韌體或幾乎其任一組合來個別地及/或共同地實施此等方塊圖、流程圖或實例內之每一功能及/或操作。
熟習此項技術者將認識到，本文中陳述之方法或演算法中之諸多方法或演算法可採用額外行為，可省略某些行為，及/或可以不同於所規定之一次序執行行為。
可組合上文所闡述之各種實施方案以提供進一步實施方案。可鑒於上文之詳細說明對實施方案做出此等及其他改變。一般而言，在下文申請專利範圍中，所用術語不應解釋為將申請專利範圍限於說明書及申請專利範圍中所揭示之特定實施方案，而應解釋為包含所有可能實施方案以及此申請專利範圍所賦予之等效內容之全部範疇。因此，申請專利範圍並不受本發明限制。
100:電磁干擾濾波器及線路調節模組或電路
102:輸出端子/正輸出端子
104:輸出端子/輸出共同端子
106:輸入電源/輸入電源供應器
108:輸入端子/正輸入端子
110:輸入端子
112:電力轉換器/切換電力轉換器/下游電力轉換器
114:共同模式濾波器級/共同模式電磁干擾濾波器級
116:差動模式濾波器級/第一差動模式電磁干擾濾波器級/第一級
118:接合點
120:控制器
122:回饋電路
124:本體二極體
CX1:差動模式旁通電容器/差動模式電磁干擾電容器/差動模式電容器/電容器
CY1:旁通電容器/共同模式旁通電容器
CY2:旁通電容器/共同模式旁通電容器
LCM:共同模式電磁干擾抗流器/共同模式電磁干擾電感器/共同模式抗流器或電感器
LDM1:差動模式電磁干擾抗流器/差動模式電磁干擾電感器/差動模式抗流器或電感器/電磁干擾電感器/電感器
S1:開關/第一開關
S2:開關/第二開關
S3:開關/第三開關

Claims (26)

  1. 一種電磁干擾(EMI)濾波器及線路調節(EMI-LC)電路，該EMI-LC電路具有可耦合至輸入電源之輸出之輸入及可耦合至雜訊源之輸入之輸出，該EMI-LC電路包括：被動差動模式EMI濾波器電路，其包含差動模式EMI電感器及差動模式EMI電容器；升壓轉換器電路，其包含升壓控制開關，可控制於關斷狀態或接通狀態、升壓輸出開關、該差動模式EMI電感器及該差動模式EMI電容器；回饋電路，其可操作地耦合至該EMI-LC電路之該輸入以在該EMI-LC電路之該輸入處感測輸入特性資訊；及控制電路，其操作地耦合至該回饋電路以自該回饋電路接收該輸入特性資訊且操作地耦合至該升壓控制開關，該控制電路在回應該輸入特性資訊之一第一條件之一第一時間之中，控制該升壓控制開關連續在該關斷狀態以停用該升壓轉換器電路；以及在回應該輸入特性資訊之一第二條件之一第二時間之中，選擇性控制該升壓控制開關以重複性切換該關斷狀態與該接通狀態以啟用該升壓轉換器電路，其中在啟用該升壓轉換器電路時控制性增加用以施加於該升壓轉換器電路之一輸入電壓。
  2. 如請求項1之EMI-LC電路，其中該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關包括金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，且該控制電路在停用該升壓轉換器電路時將該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關控制為處於接通狀態中且在啟用該升壓轉換器電路時將該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關控制為處於關斷狀態中。
  3. 如請求項1之EMI-LC電路，其中該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關包括二極體。
  4. 如請求項1之EMI-LC電路，其進一步包括：被動共同模式EMI濾波器，其包含共同模式EMI電感器及至少兩個旁通EMI電容器。
  5. 如請求項1之EMI-LC電路，其中該控制電路將脈衝寬度調變信號施加至該升壓控制開關之控制節點以啟用該升壓轉換器電路。
  6. 如請求項1之EMI-LC電路，其進一步包括：暫態限幅器電路，其包含線性調整器電路或切換調整器電路中之一者，其中在操作中該切換調整器電路利用該差動模式EMI電感器及該差動模式EMI電容器。
  7. 如請求項1之EMI-LC電路，其中該控制電路在該EMI-LC電路之該輸入處之電壓低於所判定電壓位準時將該升壓轉換器電路之該升壓控制開關控制為啟用該升壓轉換器電路，且該控制電路在該EMI-LC電路之該輸入處之該電壓處於或高於該所判定電壓位準時將該升壓轉換器電路之該升壓控制開關控制為停用該升壓轉換器電路。
  8. 如請求項1之EMI-LC電路，其進一步包括：線性調整器電路，其耦合在該EMI-LC電路之該輸入與該EMI-LC電路之該輸出之間，該線性調整器電路包含可控制線性通過元件，其中該控制電路操作地耦合至該線性通過元件，且該控制電路在該EMI-LC電路之該輸入處之電壓高於所判定電壓位準時控制該線性通過元件以增加該線性通過元件之電阻。
  9. 如請求項8之EMI-LC電路，其中該線性通過元件包括MOSFET。
  10. 如請求項1之EMI-LC電路，其進一步包括： 降壓轉換器電路，其包含降壓控制開關、降壓分流開關、該差動模式EMI電感器及該差動模式EMI電容器，其中該控制電路操作地耦合至該降壓控制開關，且該控制電路回應該輸入特性資訊之一第三條件而選擇性地將該降壓控制開關控制為連續在接通狀態以停用該降壓轉換器電路；以及回應該輸入特性資訊之一第四條件而選擇性控制該降壓控制開關以重複性切換該關斷狀態與該接通狀態以啟用該降壓轉換器電路，其中在啟用該降壓轉換器電路時控制性降低用以施加於該降壓轉換器電路之一輸入電壓。
  11. 如請求項10之EMI-LC電路，其中該降壓轉換器電路之該降壓分流開關包括二極體。
  12. 如請求項10之EMI-LC電路，其進一步包括：被動共同模式EMI濾波器，其包含共同模式EMI電感器及至少兩個旁通電容器。
  13. 如請求項10之EMI-LC電路，其中該控制電路將脈衝寬度調變信號施加至該降壓控制開關之控制節點以啟用該降壓轉換器電路。
  14. 如請求項10之EMI-LC電路，其中該控制電路在該EMI-LC電路之該輸入處之電壓高於所判定電壓位準時將該降壓轉換器電路之該降壓控制開關控制為啟用該降壓轉換器電路，且該控制電路在該EMI-LC電路之該輸入處之該電壓處於或低於該所判定電壓位準時將該降壓轉換器電路之該降壓控制開關控制為停用該降壓轉換器電路。
  15. 如請求項1之EMI-LC電路，其中該控制電路包括脈衝寬度調變(PWM)控制電路且該雜訊源包括DC/DC切換電力轉換器。
  16. 一種電磁干擾(EMI)濾波器及線路調節(EMI-LC)電路，該EMI-LC 電路具有可耦合至輸入電源之輸出之輸入及可耦合至雜訊源之輸入之輸出，該EMI-LC電路包括：被動差動模式EMI濾波器電路，其包含差動模式EMI電感器及差動模式EMI電容器；被動共同模式EMI濾波器，其包含共同模式EMI電感器及至少兩個旁通EMI電容器；升壓轉換器電路，其包含升壓控制開關，可控制於關斷狀態或接通狀態、升壓輸出開關、該差動模式EMI電感器及該差動模式EMI電容器；暫態限幅器電路，其包含線性調整器電路或切換調整器電路中之一者，其中在操作中該切換調整器電路利用該差動模式EMI電感器及該差動模式EMI電容器；回饋電路，其可操作地耦合至該EMI-LC電路之該輸入以感測由該輸入電源在該EMI-LC電路之該輸入處施加之輸入電壓位準；及控制電路，其操作地耦合至該回饋電路以自該回饋電路接收輸入電壓位準指示且操作地耦合至該升壓控制開關，該控制電路在回應該輸入特性資訊之一第一條件之一第一時間之中，控制該升壓控制開關連續在該關斷狀態以停用該升壓轉換器電路；以及在回應該輸入特性資訊之一第二條件之一第二時間之中，選擇性控制該升壓控制開關以重複性切換該關斷狀態與該接通狀態以啟用該升壓轉換器電路，其中在啟用該升壓轉換器電路時增加用以施加於該升壓轉換器電路之一輸入電壓。
  17. 如請求項16之EMI-LC電路，其中該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關包括金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，且該控制 電路在停用該升壓轉換器電路時將該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關控制為處於接通狀態中且在啟用該升壓轉換器電路時將該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關控制為處於關斷狀態中。
  18. 如請求項16之EMI-LC電路，其中該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關包括二極體。
  19. 一種用以控制電磁干擾(EMI)濾波器及線路調節(EMI-LC)電路之操作方法，該EMI-LC電路具有可耦合至輸入電源之輸出之輸入及可耦合至雜訊源之輸入之輸出，該EMI-LC電路包括：被動差動模式EMI濾波器電路，其包含差動模式EMI電感器及差動模式EMI電容器；升壓轉換器電路，其包含升壓控制開關，可控制於接通狀態或關斷狀態、升壓輸出開關、該差動模式EMI電感器及該差動模式EMI電容器；回饋電路，其可操作地耦合至該EMI-LC電路之該輸入以在該EMI-LC電路之該輸入處感測輸入特性資訊；及控制電路，其操作地耦合至該回饋電路及該升壓控制開關，該方法包括：在該控制電路處自該回饋電路接收該輸入特性資訊；在回應該輸入特性資訊之一第一條件之一第一時間之中，透過該控制電路控制，該升壓控制開關連續在該關斷狀態以停用該升壓轉換器電路；以及在回應該輸入特性資訊之一第二條件之一第二時間之中，透過該控制電路控制該升壓控制開關以重複性切換該關斷狀態與該接通狀態以啟用該升壓轉換器電路，其中在啟用該升壓轉換器電路時控制性增加用以施加於該升壓轉換器電路之一輸入電壓。
  20. 如請求項19之方法，其中該EMI-LC電路包括降壓轉換器電路， 該降壓轉換器電路包含降壓控制開關、降壓分流開關、該差動模式EMI電感器及該差動模式EMI電容器；且該控制電路操作地耦合至該降壓控制開關，該方法進一步包括：經由該控制電路回應該輸入特性資訊之第三條件而控制該降壓控制開關連續性地在接通狀態以停用該降壓轉換器電路；以及經由該控制電路回應該輸入特性資訊之第四條件而控制該降壓控制開關以重複性切換該關斷狀態與該接通狀態以啟用該降壓轉換器電路，其中在啟用該降壓轉換器電路時控制性降低用以施加於該降壓轉換器電路之一輸入電壓。
  21. 如請求項20之方法，其中控制該降壓控制開關包括將脈衝寬度調變信號施加至該降壓控制開關之控制節點以啟用該降壓轉換器電路。
  22. 如請求項20之方法，其中將該降壓控制開關控制為啟用該降壓轉換器電路包括在該EMI-LC電路之該輸入處之電壓高於所判定電壓位準時將該降壓轉換器電路之該降壓控制開關控制為啟用該降壓轉換器電路；且將該降壓控制開關控制為停用該降壓轉換器電路包括在該EMI-LC電路之該輸入處之該電壓處於或低於該所判定電壓位準時將該降壓轉換器電路之該降壓控制開關控制為停用該降壓轉換器電路。
  23. 如請求項19之方法，其中控制該升壓控制開關包括將脈衝寬度調變信號施加至該升壓控制開關之控制節點以啟用該升壓轉換器電路。
  24. 如請求項19之方法，其中該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關包括金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，該方法進一步包括： 在停用該升壓轉換器電路時經由該控制電路將該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關控制為處於接通狀態中；及在啟用該升壓轉換器電路時經由該控制電路將該升壓轉換器電路之該升壓輸出開關控制為處於關斷狀態中。
  25. 如請求項19之方法，其中將該升壓轉換器電路之該升壓控制開關控制為啟用該升壓轉換器電路包括在該EMI-LC電路之該輸入處之電壓低於所判定電壓位準時將該升壓控制開關控制為啟用該升壓轉換器電路，且將該升壓轉換器電路之該升壓控制開關控制為停用該升壓轉換器電路包括在該EMI-LC電路之該輸入處之該電壓處於或高於該所判定電壓位準時將該升壓控制開關控制為停用該升壓轉換器電路。
  26. 如請求項19之方法，其中該EMI-LC電路包含耦合在該EMI-LC電路之該輸入與該EMI-LC電路之該輸出之間的線性調整器電路，該線性調整器電路包含可控制線性通過元件；且該控制電路操作地耦合至該線性通過元件，該方法進一步包括：在該EMI-LC電路之該輸入處之電壓高於所判定電壓位準時經由該控制電路控制該線性通過元件以增加該線性通過元件之電阻。
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