TWI389148B - 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 - Google Patents

Description

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

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。

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11(magnetic core assembly)、一繞線基座12(bobbin)、一初級繞線13與一次級繞線(未圖示)等。其中，初級繞線13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11通常為EE型磁芯組(EE－core)、EI型磁芯組(EI－core)或ER型磁芯組(ER－core)，其可將軸心111設置於繞線基座12之套管121內，使磁芯組11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1確實可達到電壓轉換之功效，但是當變壓器1應用於一電源轉換電路(未圖示)中時，變壓器1之初級繞線13會與電源轉換電路之一開關元件電連接，藉由該開關元件的導通與斷開而來控制流經初級繞線13 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。

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 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耦合率。

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，用以接收電源信號；以及變壓器，係與電源輸入端及開關元件電連接，用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。

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 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221、一第二屏蔽元件222以及複數個接腳P1~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25~29依序係連接於變壓器22之接腳P14及P11、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 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之內部元件。

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以及第一輔助繞線200。

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(NMOS)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而與第一初級繞線23電連接，第二電流傳導端213則藉由一電阻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之軸心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 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200、第二輔助繞線201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22主要包含第一初級繞線23、第二初級繞線24，複數個次級繞線25~29、第一屏蔽元件221、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12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， 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 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及第二輔助繞線201之兩側係分別設有絕緣物質30，即第一輔助繞線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之最內層且靠近磁芯組224，因此變 壓器22便可藉由磁芯組224之軸心2241來屏蔽第一繞線部231上之電磁干擾，進而減少變壓器22之內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 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間之電磁耦合率增加，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、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 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。

1、22‧‧‧變壓器

11、224‧‧‧磁芯組

12、223‧‧‧繞線基座

13‧‧‧初級繞線

111、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

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

231a、232a、241a、242a‧‧‧端部

VIN‧‧‧電源輸入端

C1‧‧‧電容

R1‧‧‧電阻

J1‧‧‧跳線路徑

G1、G2‧‧‧接地端

P1、P2、P3、P4、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P13、P14‧‧‧接腳

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。

22‧‧‧變壓器

224‧‧‧磁芯組

223‧‧‧繞線基座

2241‧‧‧軸心

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

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

231a、232a、241a、242a‧‧‧端部

P1、P2、P3、P4、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P13、P14‧‧‧接腳

Claims (12)

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；一第二初級繞線，係纏繞於該次級繞線上；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；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；以及一輔助繞組，係纏繞於該第二初級繞線上而位於該變壓器之最外層；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合率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之變壓器，其中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1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。
5. 如申請專利範圍第2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。
6. 如申請專利範圍第1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。
7. 如申請專利範圍第6項所述之變壓器，其中該絕緣物質係為一絕緣膠帶。
8. 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；一第二初級繞線，係纏繞於該次級繞線上；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；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；以及一輔助繞組，係纏繞於該第二初級繞線上而位於該變壓器之最外層；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耦合率。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電源轉換電路，其中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，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。
10. 如申請專利範圍第8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。
11. 如申請專利範圍第8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、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。
12. 如申請專利範圍第8項所述之電源轉換電路，其中該開關元件係為一N通道金氧半場效電晶體。