CN104969460B - 使用变压器耦合屏蔽的降噪升降压转换器 - Google Patents

使用变压器耦合屏蔽的降噪升降压转换器 Download PDF

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Abstract

公开了产生较少噪声的功率转换器。例如，在实施例中，功率转换器可以包括：第一电感器，磁性耦合至第二电感器，其中第二电感器的第一端电开路并且第二电感器的第二端经由第二电容器电耦合至地；晶体管，电连接至第一电感器；以及控制电路装置，控制晶体管的切换，其中当晶体管通过控制电路重复导通和截止时，通过晶体管、第二电容器、第一电感器和第二电感器形成电流环路，电流环路使得减少了由功率转换器生成的切换噪声的量。

Description

使用变压器耦合屏蔽的降噪升降压转换器
相关参考
本申请要求2013年2月22日提交的标题为“Transformer shield to mitigatecommon-mode noise due to interwinding capacitance in non-isolated powersupply”的美国临时申请第61/768,112号的权益，其全部内容以引用的方式引入本申请。
背景技术
本文提供的背景描述用于总体呈现本公开构思的目的。目前指定的发明人的工作(包括此背景技术部分所描述的工作)以及本描述中在提交时未证实为现有技术的各方面，均既不明示也不暗示地被认为是针对本公开的现有技术。
高效开关模式功率转换器在高切换频率处进行操作，主要优势是较小的部件尺寸(例如，变压器和电感器)和优化效率。然而，这些优势以增加电磁干扰(EMI)为代价。在功率转换器中快速改变电压和电流信号将通过电路元件之间的互感或电容耦合内在地引起不想要的噪声。噪声从开关模式功率转换器(针对小于30MHz的频率)传播的一种方式是向后通过将功率提供给功率转换器的功率线，其随后将用作辐射EMI源。
发明内容
下面进一步描述本发明的各个方面和实施例。
在一个实施例中，一种功率转换器包括：第一电感器，具有第一端和第二端，第一电感器在第一端处电连接至直流电压电源并且在第二端处电连接至晶体管的第一功率引线和二极管的阳极；第一电容器，具有第一端和第二端，第一容电器在第一电容器的第一端处电耦合至直流电压电源并且在第一电容器的第二端处电耦合至二极管的阴极；第二电感器，具有第一端和第二端并且磁性耦合至第一电感器，其中第二电感器的第一端电开路且第二电感器的第二端经由第二电容器电耦合至地；以及控制电路装置，用于控制晶体管的切换。
在另一实施例中，一种功率转换器包括：第一电感器，具有第一端和第二端，第一电感器在第一端处电连接至第一电容器，并且在第二端处电连接至晶体管的第一功率引线和二极管的阳极端；第二电感器，具有第一端和第二端并且磁性耦合至第一电感器，其中第二电感器的第一端电开路并且第二电感器的第二端经由第二电容器电耦合至地；以及控制电路装置，用于控制晶体管的切换。
在又一实施例中，一种功率转换器包括：第一电感器，磁性偶耦合至第二电感器，其中第二电感器的第一端电开路且第二电感器的第二端经由第二电容器电耦合至地；晶体管，电耦合至第一电感器；以及控制电路装置，用于控制晶体管的切换，其中当晶体管通过控制电路装置重复地导通和截止时，通过晶体管、第一电感器、第二电感器和第二电容器形成电流环路，电流环路使得降低了由功率转换器生成的切换噪声的量。
附图说明
以下参照附图详细描述本公开中作为示例的各个实施例，其中类似的参考标号表示类似的元件，并且其中：
图1是被修改为使用电感屏蔽降低电磁干扰(EMI)的示例性升降压功率转换器。
图2是具有可被图1的功率转换器使用的电感屏蔽的示例性电感器。
图3示出了图1所示修改的升降压功率转换器的EMI测试结果。
具体实施方式
下面将一般性地描述以及根据具体示例和/或具体实施例描述所公开的方法和***。例如，将参照详细示例和/或实施例，注意，除非另有明确指定，否则下面描述的原理不限于单个实施例，而是可以使用本文描述的任何其他方法和***来解释，这对于本领域技术人员来说是容易理解的。
本公开描述了有效减少由不使用两级输入滤波器的功率转换器所生成的共模电流的量。解决方法涉及变压器绕组形式的屏蔽，其中一端电开路而另一端通过电容器连接至转换器的返回线(即，地)。这种绕组通过保持位于功率转换器内的共模噪声来帮助从功率线转移共模噪声。
图1是被修改为使用电感屏蔽减少电磁干扰(EMI)的示例性升降压功率转换器。如图1所示，功率转换器包括第一滤波器110、整流器120、第二滤波器130、第三滤波器140、具有相关联偏置电路装置152的控制电路装置150、第一电感器L1、磁性耦合至第一电感器L1的第二电感器L2、第一电容器C1、第二电容器C2、二极管D1、晶体管Q1、电阻器R1和发光二极管(LED)负载LLED。
应该理解，图1的示例性控制电路装置150可以是能够驱动LED负载LLED的LED驱动器，并且相关联的偏置电路装置152符合制造者的建议。然而，图1的控制电路装置150和相关联的偏置电路装置152被认为是非限制示例，并且本领域技术人员根据本公开应当意识到，控制电路装置150可以采取接近无限的形式，只要提供可用于功率转换器的基本开关控制功能。
在操作中，通过第一滤波器110将交流电(AC)功率提供给整流器120。整流器120使用AC功率来开发整流电压VR。然后，电流通过滤波器130和140到达节点N1，其中第一电感器L1、电容器C1、二极管D1、晶体管Q1、电阻器R1和控制电路装置150被配置为升降压功率转换器。即，控制电路装置150使得晶体管Q1在期望频率处导通和截止，以使得第一电感器L1和二极管D1产生横跨第一电容器C1的工作电压，其又可用于向负载(诸如串联放置的两个以上的发光二极管(LED))提供功率。虽然图1的示例使用升降压拓扑，但应该理解，可以采用任何其他已知或未来开发的功率拓扑。
在操作期间，晶体管Q1的恒定切换产生横跨第一电感器L1的大电压摆幅dV/dt。由于第一电感器L1和屏蔽绕组(即，第二电感器L2)之间的寄生耦合，这种快速改变电压将基于等式IP＝CP*dV/dt驱动适当横跨寄生绕组间电容器CP(图1中未示出)的电流IP。由于第二电感器L2连接至电源的返回路径(即，地)，所以防止了大多数共模电流被引导返回到功率线。相反，当晶体管Q1被重复导通和截止时，通过电阻器R1、晶体管Q1、第一电感器L1、第二电感器L2和第二电容器C2形成电流环路IL。该电流环路IL使得减少了由功率转换器生成的切换噪声的量。
为了使该解决方案的效果最大，第二电容器C2应该尽可能或实际接近地(或其他返回)和第二电感器L2。这将适当地降低环路阻抗，尤其是寄生电感，并且确保共模电流的最短路径。
使用上述方法，较少的噪声可被入射到将功率提供给功率转换器的功率引线。因此，要求较少的滤波，并且第二(混乱拓扑，pi-topology)滤波器130可以具有充分更少(并且更便宜)的部件。
图2是具有可用于图1的功率转换器的电感屏蔽的示例性电感器L1。如图2所示，铁氧体磁芯220(或等效设备)设置有第一电感器L1(具有端L1A和L1B)的绕组，其被第二电感器L2(具有端L1A和L1B)的绕组分离。电感器端L1A和L1B连接至功率转换器。电感器端L1A电开路，而电感器端L1B电容耦合至地(或另一返回线)。
用于每个电感器L1和L2的绕组的数量可以根据所需或者期望而改变。然而，预期在第一电感器L1的一半绕组(或者更多)之间出现第二电感器L2的至少一个绕组。然而，其他实施例将不限于图2的一般绕组范例。例如，电感器L2的绕组可以整个放置在电感器L1的绕组的一侧，或者可选地，电感器L2的绕组可以放置在电感器L1的绕组上方使得电感器L2不与核心220接触。
图3示出了图1所示修改的升降压功率转换器的EMI测试结果。示图310(上部)示出了不使用电感屏蔽(即，不具有电感器L2和电容器C2)的图1的电路的EMI测试结果，而示图320(下部)示出了使用电感屏蔽的图1的电路的EMI测试结果。如对应区域312和322所示，使用电感屏蔽充分提高了噪声降低，其中峰值噪声降低在大约10兆赫区域处接近15db。
虽然结合作为示例提出的具体实施例描述了本发明，但应该理解，许多改变、修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，本文阐述的本发明的实施例是示例性的而非限制性的。在不背离本发明的精神的情况下可以进行改变。

Claims (17)

1.一种功率转换器，包括：
第一电感器，具有第一端和第二端，所述第一电感器在第一端处电连接至直流电压电源，并且在第二端处电连接至晶体管的第一功率引线和二极管的阳极；
第一电容器，具有第一端和第二端，所述第一电容器在所述第一电容器的第一端处电耦合至所述直流电压电源，并且在所述第一电容器的第二端处电耦合至所述二极管的阴极；
第二电感器，具有第一端和第二端并且磁性耦合至所述第一电感器，其中所述第二电感器的第一端电开路并且所述第二电感器的第二端经由第二电容器电耦合至地；以及
控制电路装置，用于控制所述晶体管的切换。
2.根据权利要求1所述的功率转换器，其中当所述晶体管重复地导通和截止时，通过所述晶体管、所述第一电感器、所述第二电感器和所述第二电容器形成电流环路，所述电流环路使得减少了由所述功率转换器生成的切换噪声的量。
3.根据权利要求2所述的功率转换器，其中所述第二电容器被放置为接近所述第二电感器和地，以明显地使所述电流环路内的寄生阻抗最小化。
4.根据权利要求2所述的功率转换器，还包括铁氧体磁芯，磁性耦合所述第一电感器和所述第二电感器。
5.根据权利要求4所述的功率转换器，其中在所述第一电感器的至少一半绕组之间出现所述第二电感器的至少一个绕组。
6.根据权利要求1所述的功率转换器，还包括两个以上的发光二极管，串联耦合在所述第一电容器的第一端和所述第一电容器的第二端之间。
7.一种功率转换器，包括：
第一电感器，具有第一端和第二端，所述第一电感器在第一端处电连接至第一电容器，并且在第二端处电连接至晶体管的第一功率引线；
第二电感器，具有第一端和第二端并且磁性耦合至所述第一电感器，其中所述第二电感器的第一端电开路并且所述第二电感器的第二端经由第二电容器电耦合至地；以及
控制电路装置，用于控制所述晶体管的切换，
其中当所述晶体管重复地导通和截止时，通过所述晶体管、所述第一电感器、所述第二电感器和所述第二电容器形成电流环路，所述电流环路使得减少了由所述功率转换器生成的切换噪声的量。
8.根据权利要求7所述的功率转换器，其中所述第一电感器、二极管、所述第一电容器和所述晶体管被配置为提供升降压功率转换器，其中所述二极管的阳极电连接至所述第一电感器的第二端。
9.根据权利要求7所述的功率转换器，其中所述第二电容器被放置为接近所述第二电感器和地，以明显地使所述电流环路内的寄生阻抗最小化。
10.根据权利要求7所述的功率转换器，还包括一个或多个噪声滤波器，电耦合至所述第一电感器并且被配置为减少针对向所述功率转换器提供功率的功率引线的由所述功率转换器生成的噪声的量。
11.根据权利要求7所述的功率转换器，还包括铁氧体磁芯，磁性耦合所述第一电感器和所述第二电感器。
12.根据权利要求11所述的功率转换器，其中在所述第一电感器的至少一半绕组之间出现所述第二电感器的至少一个绕组。
13.根据权利要求7所述的功率转换器，还包括两个以上的发光二极管，串联耦合在所述第一电容器的第一端和所述第一电容器的第二端之间。
14.一种功率转换方法，包括：
整流输入电压以提供导向功率转换器的直流电压电源，所述功率转换器包括电耦合至晶体管的第一电感器以及磁性耦合至所述第一电感器的第二电感器，其中所述第二电感器的第一端电开路并且所述第二电感器的第二端经由电容器电耦合至地；以及
切换所述晶体管以提供输出电压，
其中当所述晶体管重复地导通和截止时，通过所述晶体管、所述第一电感器、所述第二电感器和所述电容器形成电流环路，所述电流环路使得减少了由所述功率转换器生成的切换噪声的量。
15.根据权利要求14所述的功率转换方法，其中铁氧体磁芯磁性耦合所述第一电感器和所述第二电感器。
16.根据权利要求15所述的功率转换方法，其中在所述第一电感器的至少一半绕组之间出现所述第二电感器的至少一个绕组。
17.根据权利要求14所述的功率转换方法，还包括：使用所述输出电压对两个以上的发光二极管供电。
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