專利名稱：用于減小電源轉換器中的噪聲電流的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電源轉換器領域，尤其涉及減小由電源轉換器產生的電磁干擾引起的噪聲。
背景技術：
電源轉換器是通過把來自電源的電力轉換成適合負載需要的形式提供電力。例如，一個電源轉換器能夠從交流電源提供直流電力。一個可接受的商用可變電源轉換器須要保證由其運作而產生的電磁干擾(EMI)不超過可接受的水平。當有很多裝置產生EMI時，一個公知的EMI成分是共態(tài)噪聲。一個開關電源轉換器產生共態(tài)噪聲是因為在有到地的低阻抗路徑中進行開關操作。通常，由于共態(tài)電流流動引起的共態(tài)噪聲構成開關電源轉換器產生的電磁干擾(EMI)的重要部分。
在開關電源轉換器中，開關電路從輸入端接受輸入電力，然后經主變壓器產生開關波形，如此產生的開關波形經過互繞(inter-winding)電容以及變壓器的次級繞組耦合到次級。這個次級繞組饋送電力給整流電路，它再提供電能給負載。
除了上述電力分配外，有一路徑使共態(tài)電流產生共態(tài)噪聲。開關操作產生噪聲，它通過變壓器互繞電容耦合到次級。通常，負載與地絕緣，但是它通過相當高的電容耦合到地。這個電容連同變壓器互繞電容通過接通電路提供了共態(tài)電流流經電源阻抗的路徑。任何流經檢測到的電源阻抗的電流有助于傳導的電磁干擾。該完整的共態(tài)電流路徑使噪聲源與互繞電容連在一起，互繞電容依次與電源阻抗和負載端的寄生電容形成一個完整的回路。
減小開關電源轉換器中的共態(tài)噪聲是一個困難的問題。尤其對帶有絕緣變壓器的開關型電源轉換器提出了更多的挑戰(zhàn)。通常這種類型的電源轉換器在初次級繞組間有緊密的耦合。這種緊密的耦合減少了感應的泄漏并改善了轉換效率。但是這種緊密的耦合，即高的變壓器耦合系數會增加初次級繞組間的互繞電容，從而增加從初級到次級負載的不希望的噪聲耦合。
尤其是，分別連接初級端和次級端兩個“非開關”節(jié)點的旁路電容減少了共態(tài)電流。節(jié)點的選擇一般是輸入端的一個和次級共用節(jié)點。這就減少了通過負載與地間寄生電容耦合的共態(tài)電流。但是這種方法有它的局限性。安全標準要求避免使用高電容，因為它會增加初次級間的漏電流。
在初次級繞組間設置一層稱為“法拉第屏蔽”(Faraday shield)的屏蔽金屬也可以減少共態(tài)電流。這個方法與旁路電容工作原理相同，并且為噪聲電流提供另一條截止路徑。它有效地提供了另一條與旁路電容器并聯的電容路徑。但是，這個屏蔽層使得變壓器非常松散，并且減少了初次級繞組間的磁耦合，也就降低了變壓器的效率，這是一個不希望的結果。
還有另一種公知的方法是通過使用分立濾波元件進行無源濾波來擬制噪聲。這種方法廣泛使用，但由于附加元件使裝置變大正變得越來越不希望采用了。
在美國專利6137392中，Edward Herbert的發(fā)明使用兩個或更多的串聯連接變壓器減少初次級繞組間的整體寄生電容。這種方法也要附加磁性元件和進行麻煩的磁性元件構造。而且理論上，這種方法也不能完全消除通過絕緣變壓器耦合的噪聲。

發(fā)明內容
本發(fā)明可以極大地減少由于共態(tài)電流流動而產生的不希望的共態(tài)噪聲。本發(fā)明提供一種中和電壓可以減少甚至消除共態(tài)電流。該中和電壓源和與其串聯連接的元件動態(tài)運作以吸收、旁路或消除由電源轉換器操作而產生的噪聲。
本發(fā)明的一個實施例包括一個從由外部串聯連接的無源元件進一步微調的主變壓器中一組繞組獲得的中和電壓。特別是，這些串聯元件包括保持變壓器與次級繞組間電絕緣的電容器。此外，電壓源與串聯元件的組合可以方便地連接到初級和次級的“非開關”節(jié)點。
本發(fā)明的另外一些實施例用一個緩沖放大器產生中和電壓。這樣的放大器感應串聯連接元件的噪聲電壓，產生一個具有相同幅度的反相電壓，以便減小經過該路徑的噪聲電壓。
在本發(fā)明的另一個實施例中，這種中和源是由放大元件和適當的反饋動態(tài)控制的。放大元件響應檢測出產生的噪聲提供中和信號來防止噪聲電流經過外面的地耦合進來。
此外，容易擴展本發(fā)明以減少由于非絕緣轉換器而導致的電磁干擾。
這樣，本發(fā)明就可以不須進行單調枯燥的變壓器構造、使用簡單而少的元件換算方法減小噪聲，仍然用公知的技術方便地制作變壓器。而且，本發(fā)明采用的噪聲減小方法不須精確地調節(jié)、困難地控制如變壓器漏感等參數。
通過以下結合附圖對本發(fā)明的詳細描述將使本發(fā)明的這些及其它方面對本領域的技術人員來講變得更明顯。


圖1是一個根據本發(fā)明的用于減小或消除共態(tài)噪聲的相應于一個實施例的電路的示意圖；圖2是一個顯示使用磁性耦合繞組以產生中和電壓連接的實例的簡化圖；圖3顯示穿過現有技術電源轉換器的初級和次級的噪聲電壓；圖4圖示相應于圖3的噪聲電壓的共態(tài)電流；圖5顯示根據本發(fā)明的穿過具有減小共態(tài)電流的回掃轉換器的初級和次級非開關節(jié)點的噪聲電壓；圖6圖示相應于圖5的噪聲電壓的共態(tài)電流；圖7是本發(fā)明使用放大電路產生中和電壓的另一實施例；圖8示出根據本發(fā)明的穿過具有減小共態(tài)電流的圖7轉換器的初級和次級非開關節(jié)點的噪聲電壓；圖9圖示相應于圖8的噪聲電壓的減小的共態(tài)電流；圖10圖示根據本發(fā)明的另一實施例；圖11圖示根據本發(fā)明的另一實施例；和圖12示出根據本發(fā)明的另一實施例。
具體實施例方式
為了減小或消除流過寄生電容的共態(tài)電流，本發(fā)明包括一個與一個阻抗和與驅動共態(tài)電流的噪聲產生源串聯的中和電壓源。結果，以與中和電壓源的大小和沒有中和電壓源時該串聯阻抗上的電壓之間的差成反比例的方式減小該串聯阻抗的有效阻抗。換句話說，中和電壓的作用就像一個“阻抗降低器”。產生的噪聲電壓的降低對噪聲源電流提供了一個有效的旁路。這個旁路措施比起只用一個旁路電容來更有效地、動態(tài)地吸收噪聲電流。換句話說，該方法在為降低噪聲提供大而有效的旁路電容的同時提供了一個有效的小值旁路電容器。
圖1圖示了上述設置。輸入節(jié)點2到地6有一個輸入阻抗4。輸出節(jié)點8與地間有一個寄生電容10。由于噪聲源14連接到串聯電容16，寄生電容10允許共態(tài)電流12流過。這個共態(tài)電流通過一并聯支路經其串聯阻抗18分流減小，再由中和電壓源20進一步降低。
圖2示出了本發(fā)明的一個提供中和電壓以減小共態(tài)電流的實施例。如圖所示，變壓器40包括繞組36和38以及不可避免存在的互繞電容42，提供電源給包含如二極管50、連接到節(jié)點32并跨在負載30上的輸出電容34的整流器。絕緣的器件64感應負載30上的電壓用于提供一個反饋信號給開關控制器62，該控制器用于經由開關66調節(jié)輸出電壓。此外，圖2還示出了由跨在分壓元件48和50(共同用作一個無源分壓器調節(jié)中和電壓)上的繞組46提供的中和電壓。調節(jié)的中和電壓通過降低串聯元件54上的電壓減小流經串聯元件54的共態(tài)電流12。換句話說，在圖2中產生的中和電壓減小了節(jié)點2和8之間的電位差，從而減小了流到地的共態(tài)電流12。
對于本領域的普通技術人員來說很明顯，不需要只由繞組46提供中和電壓。用于提供中和電壓的其他裝置也屬于本發(fā)明的范圍。因此，由虛線圍成的框44中所示的元件可以由一個中和電壓V和一個串聯的保證輸入和輸出間電絕緣的阻抗Z1構成的電壓源取代。理論上，要消除共態(tài)電流，需要V＝I×Z1等式1其中，I是通過阻抗Z1的共態(tài)電流。沒有共態(tài)電流流過負載和地之間的寄生電容10。這意味著耦合的噪聲可以完全被旁路掉，包括由互繞寄生電容耦合通過的噪聲。實際上，因為調節(jié)V和Z1過程中的誤差，節(jié)點2和8之間的噪聲電壓不可能完全去除。不過，與共知的方法比較，至少可以極大地減小共態(tài)電流的振幅。此外，為了免除噪聲要求的阻抗Z1的量值被極大地減小并且在節(jié)點2和8之間產生一個有效的短路。
中和電壓源是由耦合到絕緣變壓器40的繞組46實現的。繞組46繞得可以產生中和電壓。絕緣變壓器40的繞組電壓適合于產生中和電壓，因為它能產生與由初級開關電路產生的開關噪聲相同的波形。繞組46的電壓由所示的無源元件分壓。通過具有阻抗Z3的分壓元件48和具有阻抗Z2的分壓元件50，就從分壓元件50兩端獲得了中和電壓。
等式2描述了通過使節(jié)點2和8兩點的電壓在相應于共態(tài)電流產生的噪聲頻率處為零能夠獲得完全旁路的條件。V=IZ1xZ2+Z2xZ3+Z1xZ3Z2]]>等式2這里I是通過變壓器繞組36和38之間的互繞寄生電容耦合的噪聲電流，V是繞組46兩端的電壓。當然實際上，因為在調節(jié)阻抗Z1、Z2和Z3過程中的誤差導致中和電壓V失真(相對于噪聲電壓)，噪聲電壓不可能完全消除。
圖3示出了節(jié)點2和8兩點間沒有設置繞組46、分壓元件48和50以及串聯元件54由一個1500pF旁路電容替代時測量的噪聲電壓。
圖4示出了相應測量的共態(tài)電流頻譜。圖5示出了如圖2所示的具有設置繞組46、分壓元件48和50以及串聯元件54時測量的節(jié)點2和8兩點間的噪聲電壓。繞組36、38和46的匝數比是30∶10∶3，串聯元件54、分壓元件50和48的值分別是1500pF、470pF和6800pF(它們直接地提供了各自的阻抗值)。特別是，為了進行公平比較，串聯元件54具有與前面例子所使用的旁路電容一樣的值。圖3和圖5的比較揭示了節(jié)點2和8兩點間噪聲電壓非常明顯的減小。對照圖4，相應改進的共態(tài)電流頻譜如圖6所示。
圖7示出了本發(fā)明的用于提供中和電壓以減小共態(tài)電流的第二實施例，該實施例借助于一個放大器件放大一個噪聲信號以提供中和電壓。本實施例中的放大器是一個由晶體管76和78及輸入節(jié)點86和輸出節(jié)點84形成的四端放大器件。該放大器由繞組46驅動，繞組46經由二極管70和平滑電容器72提供電源給上述放大器。輸入節(jié)點86感應串聯元件54兩端的噪聲電壓。晶體管76和78互連構成一個推拉輸出驅動器以實現一個緩沖器電路，產生放大感應的噪聲電壓，并在輸出節(jié)點84兩端提供一個相應的中和電壓。推拉輸出驅動器的輸入端接收串聯元件54兩端的噪聲電壓，推拉輸出驅動器的輸出端在輸出節(jié)點84產生所需的中和電壓。推拉輸出驅動器輸出端的相位與噪聲電壓的相位相反，因此消除了節(jié)點2和8之間的噪聲電壓，減小了共態(tài)電流。
為了減小共態(tài)電流，噪聲電壓應放大得足夠大。當然一般說來，輸出的反向電流電壓應該基本上不超過噪聲電壓，以防止在另一個方向產生電流。原理上，共態(tài)電流通過適當放大能夠減小到零。圖7是示意性的，其它形式的放大結構也應屬于本發(fā)明的范圍。
圖8示出了使用圖7的放大裝置測量的節(jié)點2和8之間的噪聲電壓。比較圖3和圖8連同圖9所示相應的共態(tài)電流頻譜，可以看出節(jié)點2和8之間噪聲電壓的明顯減小。與圖4相比，也依次揭示了共態(tài)電流的減小。
圖10是使用類似于上述第二實施例的放大器件的一個實施例。該例顯示具有至少一個開關電路96和至少一個整流模塊94的電源轉換器。該4端放大器件是由一個緩沖放大器90實現的。如圖所示，緩沖器輸入84和輸出86共用一個節(jié)點。輸入端84感應串聯元件54兩端的噪聲電壓并產生如前所述的中和電壓。由于緩沖放大器90的增益產生的中和電壓足以消除串聯元件54兩端的噪聲電壓，不需要進行振幅調節(jié)。但是應該注意，一般來說，在本發(fā)明的許多實施例中放大器增益都大于一。換句話說，放大器增益的規(guī)格對于可能的實施例不是一個限制。如果需要，元件92可以提供頻率補償，這取決于緩沖器90對噪聲頻率范圍的頻率響應。串聯元件54使得中和電壓得以耦合。
圖11圖示了包括一個帶有絕緣變壓器的電源轉換器的本發(fā)明的另一個實施例。由一個4端器件表示的放大器100有一對輸入端104和一對輸出端106。如圖所示，輸入端104接受相應于轉換器初次級間噪聲電壓的一個信號。輸出端106產生一個相應的中和電壓。下面解釋工作原理。
圖11所示的第三實施例使用放大元件產生中和電壓以消除第二共用節(jié)點8和主開關電路輸入端2之間的噪聲電壓。有源元件100產生中和電壓。和第二實施例不一樣，這個實施例直接感應初次級非開關節(jié)點2和8間的噪聲電壓。然后，在有源元件100的輸出端產生中和電壓，輸出106兩端包括第二節(jié)點8，經過阻抗元件102連回到主輸入節(jié)點2。實際上，也可以將元件108連接到到節(jié)點2阻抗非常低的其它節(jié)點上。這個節(jié)點的典型例子是節(jié)點58，因為輸入電容器60的電容通常大得足以在噪聲頻率上提供一條低阻抗路徑。元件102接到有源元件100，實際用于頻率補償。應該注意到，有源元件100必須能夠在有關頻率上產生足夠的增益，以便使可以產生流經寄生電容10和電源阻抗到地6的共態(tài)電流的誤差電壓最小。此外，如很多安全標準要求的，可加一些需要的保護電路來保護有源元件，使其能經受初級和次級之間高的絕緣電壓。
圖12是類似于上述第三實施例的另一個實施例。四端放大器件是由運算放大器110和用于保持初次級間絕緣的耦合電容器120實現的。運算放大器110的輸入端通過耦合電容器120感應初次級非開關節(jié)點2和8之間的噪聲電壓。運算放大器110在輸出端116產生中和電壓。該中和電壓通過電容118接在初次級節(jié)點2和8之間以消除這兩節(jié)點之間的噪聲，如前所述。
這里描述的本發(fā)明的實施例和原理包括用于減小EMI的裝置和系統(tǒng)。例如，它們包括用于減小具有輸入端和輸出端的開關電源轉換器中共態(tài)噪聲的共態(tài)噪聲減小裝置。該共態(tài)噪聲減小裝置包括用于感應一個相應于開關電源轉換器的輸出端和輸入端之間電位差的信號電位差的裝置。術語“端”包括例如用于電源或信號的兩條引線中的一條。該設備還包括一個響應用于產生一個中和電壓的信號電位差的電壓產生源。這個中和電壓減小開關電源轉換器的輸出端和輸入端之間的電位差。此外，一個串聯阻抗連接到在通過至少一個電容器連接至少一個輸入端和至少一個輸出端的路徑中的電壓產生源。
前述共態(tài)噪聲減小裝置的電壓產生源可以由連接到開關電源轉換器的電源變壓器中的初級繞組和次級繞組的中和繞組來實現。
作為選擇，前述共態(tài)噪聲減小裝置的電壓產生源是一個接收作為一個輸入信號的信號電位差和產生中和電壓的放大裝置。
感應信號電位差的裝置包括一個串聯連接在連接開關電源轉換器的輸入端和輸出端的路徑中的電阻?；蛘撸袘盘栯娢徊畹难b置包括一個連接到初級繞組和次級繞組的中和繞組。
還有，使用一個電磁噪聲濾波元件益于選擇減小有助于產生不良EMI的電流。
一個典型的具有低共態(tài)噪聲的轉換電源系統(tǒng)包括一個開關電源轉換器，該轉換器有一個輸入端和一個輸出端連同接到一個感應元件的中和繞組、一個串聯連接到該中和繞組以使輸入輸出之間絕緣的電容。
當然，可能有很多可供選擇的實施例以及這里揭示方案的變化形式，這都是本領域的普通技術人員理解的和顯而易見的。某些實施例會有其它具體形式、結構、配置、比例和使用其它元件、材料和組件，這些都不背離本發(fā)明的精神實質和基本特征。因此，這里所描述的實施例都是示意性的而不是限制性的，這些可供選擇的實施例和變化形式都包括在說明書之后的權利要求范圍內，而且上面的描述沒有對這些權利要求做出限制。
權利要求
1.一種共態(tài)噪聲減小裝置，用于在具有至少一個輸入端和至少一個輸出端的開關電源轉換器中減小共態(tài)噪聲，所述共態(tài)噪聲減小裝置包括用于感應一個相應于一個連接到所述開關電源轉換器的所述至少一個輸出端的輸出節(jié)點和一個連接到所述開關電源轉換器的所述至少一個輸入端的輸入節(jié)點之間電位差的信號電位差的裝置；響應所述信號電位差產生一個中和電壓的一個電壓產生源，其中，電壓產生源連接到一個節(jié)點上，使得所述中和電壓減小連接到所述開關電源轉換器的至少一個輸出端的輸出節(jié)點和連接到所述開關電源轉換器的至少一個輸入端的輸入節(jié)點之間的電位差；和連接到在通過至少一個電容器連接所述至少一個輸入端和所述至少一個輸出端的路徑中的所述電壓產生源的一個串聯阻抗。
2.根據權利要求1所述的共態(tài)噪聲減小裝置，其特征在于，所述電壓產生源是一個耦合到所述開關電源轉換器的電源變壓器中的初級繞組和次級繞組的中和繞組。
3.根據權利要求1所述的共態(tài)噪聲減小裝置，其特征在于，所述電壓產生源包括一個具有至少一個輸出連接和至少一個輸入連接的放大器，使用所述至少一個輸入連接接收所述信號電位差和所述放大器的至少一個輸出連接連接到連接所述開關電源轉換器的至少一個輸入端和至少一個輸出端的路徑。
4.根據權利要求1所述的共態(tài)噪聲減小裝置，其特征在于，所述用于感應信號電位差的裝置包括一個串聯連接在連接所述開關電源轉換器的至少一個輸入端和至少一個輸出端的路徑中的阻抗。
5.根據權利要求1所述的共態(tài)噪聲減小裝置，其特征在于，所述用于感應信號電位差的裝置包括一個連接到初級繞組和到次級繞組的中和繞組。
6.一種具有減小的共態(tài)噪聲的開關電源轉換器，所述開關電源轉換器包括一個具有初級繞組和次級繞組的電源變壓器；至少一個輸入端；至少一個輸出端；一個連接到初級繞組和到次級繞組的中和繞組；和一個串聯連接在一條路徑中的電容器，所述路徑包括所述中和繞組、至少一個輸入端和至少一個輸出端。
7.根據權利要求6所述的開關電源轉換器，其特征在于，所述電容器連接到一個第一節(jié)點，所述節(jié)點具有在其與輸出端之間低的阻抗。
8.根據權利要求6所述的開關電源轉換器，其特征在于，所述電容器連接到一個第一節(jié)點，所述節(jié)點具有在其與輸入端之間低的阻抗。
9.根據權利要求6所述的開關電源轉換器，其特征在于，所述路徑還包括一個電磁噪聲濾波元件。
10.一個用于具有低的共態(tài)噪聲的電源轉換系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個具有一個感應元件的開關電源轉換器；至少一個輸入端；至少一個輸出端；一個連接到感應元件的中和繞組；一個串聯連接到中和繞組和轉換器輸入端的電容器。
11.根據權利要求10所述的電源轉換系統(tǒng)，其特征在于，所述連接到中和繞組的電容器連接到一個第一節(jié)點，所述節(jié)點具有在其與所述至少一個輸出端之間低的阻抗。
12.根據權利要求10所述的電源轉換系統(tǒng)，其特征在于，所述連接到中和繞組的電容器連接到一個第一節(jié)點，所述節(jié)點具有在其與所述至少一個輸入端之間低的阻抗。
13.根據權利要求10所述的電源轉換系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括一個連接到所述中和繞組的電磁噪聲濾波元件。
14.一種用于減小開關電源轉換器中共態(tài)噪聲的裝置，包括一個具有至少一個輸入端和至少一個輸出端的開關電源轉換器；用于感應相應于所述至少一個輸入端和至少一個輸出端之間共態(tài)電流的信號電位差的裝置；一個具有至少一個輸入連接和至少一個輸出連接的放大裝置，所述至少一個輸入連接接收所述信號電位差；裝置，用于將所述放大器件的至少一個輸出連接到將所述至少一個輸入端連接到所述至少一個輸出端的路徑，由此所述放大裝置產生一個交流電壓，所述交流電壓減小所述至少一個輸入端到所述至少一個輸出端之間的電位差。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于減少由電源轉換器中共態(tài)電流產生的電磁干擾的裝置。流經負載端高的寄生電容的共態(tài)電流通常極大地有助于電磁干擾。為了減小電磁干擾，通過減小驅動流經高寄生電容電流的電壓來減小共態(tài)電流。一個中和電壓源產生一個與該驅動共態(tài)電流的電壓相位相反的電壓。這個中和電壓是借助于連接到電源轉換器中磁性元件的一個繞組或者一個或多個有源元件獲得的。該中和電壓源與連接在轉換器輸入端和輸出端的輸入和輸出之間的一個電容元件在需要輸入和輸出間電絕緣時串聯連接。
文檔編號B29C45/76GK1407702SQ0214205
公開日2003年4月2日 申請日期2002年8月24日 優(yōu)先權日2001年8月24日
發(fā)明者廖柱幫, 潘毅杰, 龐敏熙 申請人:香港大學