TWI631803B - 使用新屏蔽減少雜訊之電源轉換器及電源轉換方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係揭露一種產生較少雜訊的電源轉換器。例如，於一實施例，電源轉換器可包含第一電感與第二電感磁耦合，其中第二電感之第一端係電性開路，第二電感之第二端係經由第二電容電耦接至地。電晶體電連接至第一電感，且控制電路係控制電晶體的切換，其中當電晶體藉控制電路重覆地切換開和關，電流迴路係經由電晶體、第二電容、第一電感及第二電感而形成，電流迴路使電源轉換器產生的切換雜訊量減少。

Description

使用新屏蔽減少雜訊之電源轉換器及電源轉換方法 相關申請案的相互參照
本案揭露的內容主張於2013年2月22日申請的美國第61/768,112號臨時專利申請案「轉換器屏蔽以降低於非隔離式電源供應中因互繞電容的共模雜訊」的優先權，該臨時專利申請案所揭露的整體內容併入於此以作為參考。
本發明係關於一種電源轉換器；具體而言，本發明係關於一種減少雜訊之電源轉換器。
本文提供的先前技術描述的目的是呈現本案之一般背景。發明人的工作、於此先前技術部分所描述的工作，以及各種不能作為申請時先前技術之描述，並非明示亦非暗示地承認為本發明之先前技術。
高效率切換式電源轉換器運作於高切換頻率，帶有較小組件尺寸(例如變壓器與電感)及最佳效率的好處。然而，這些好處帶來增加電磁干擾(EMI)的代價。快速地改變電源轉換器內的電壓與電流訊號會經由互感或電路元件之間的電容耦合而內部引發不要的雜訊。雜訊傳出切換式電源轉換器(頻率小於30MHz)的一種方式是經供應電源給電源轉換器的電源線 返回，然後作為輻射電磁干擾源。
各種觀點及本發明的實施例係於以下進一步詳細敘述
在一實施例中，電源轉換器包含具有第一端及第二端的第一電感，第一電感於第一端電連接至直流電壓電源，且於第一電感的第二端電連接至電晶體之第一電源線與二極體之正極；具有第一端及第二端的第一電容，第一電容於第一端電連接至直流電壓電源，且於第一電容的第二端電耦接至二極體之負極；具有第一端及第二端並與第一電感磁耦合的第二電感，其中第二電感之第一端係電性開路，第二電感之第二端係經由第二電容電耦接至地；以及控制電晶體切換的控制電路。
在另一實施例中，電源轉換器包含具有第一端及第二端的第一電感，第一電感於第一端電連接至第一電容，且於第一電感的第二端電連接至電晶體之第一電源線與二極體之正極；具有第一端及第二端並與第一電感磁耦合的第二電感，其中第二電感之第一端係電性開路，第二電感之第二端係經由第二電容電耦接至地；以及控制電晶體切換的控制電路。
在又一實施例中，電源轉換器包含磁耦合第二電感的第一電感，其中第二電感之第一端係電性開路，第二電感之第二端係經由第二電容電耦接至地；電晶體電連接至第一電感；以及控制電晶體切換的控制電路，其中當電晶體藉控制電路重覆地切換開和關，電流迴路係經由電晶體、第一電感、第二電感及第二電容而形成，電流迴路使電源轉換器產生的切換雜訊量減少。
110‧‧‧第一濾波器
120‧‧‧整流器
130‧‧‧第二濾波器
140‧‧‧第三濾波器
150‧‧‧控制電路
152‧‧‧關聯偏壓電路
210‧‧‧鐵氧體磁芯
312,322‧‧‧區域
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
D1‧‧‧二極體
IL‧‧‧電流迴路
L1‧‧‧第一電感
L1A,L1B,L2A,L2B‧‧‧電感末端
L2‧‧‧第二電感
LBIAS‧‧‧偏壓負載
LLED‧‧‧發光二極體負載
N1‧‧‧節點
Q1‧‧‧電晶體
R1‧‧‧電阻
VAC‧‧‧交流電壓
VBIAS‧‧‧偏壓電壓
VLED+,VLED-‧‧‧發光二極體工作電壓
VR‧‧‧整流電壓
本發明作為範例的各種實施例將參考以下附圖詳細描述，其中，類似的符號參照類似的元件，且其中：圖1是升降壓電源轉換器的例子，其係使用電感性屏蔽修正以減少電磁干擾(EMI)；圖2是電感性屏蔽的例示電感，可用於圖1之電源轉換器；圖3描述圖1之修正升降壓電源轉換器的EMI測試結果。
以下揭露的方法與系統可一般地以特定例子及/或特定實施方式來敘述。對於所提及之詳細舉例及/或實施例的各種例子，須注意所述的任何根本原理並不限制於單一實施例，而可擴及與此處所述，為熟悉此技藝之人士可理解(除非另外特別說明)的任何其他方法與系統一起使用。
本發明描述有效減少由電源轉換器產生之共模電流量，而不使用二級輸入濾波器的一種方式。解決方案包含繞線變壓器形式的屏蔽，其一端電性開路而另一端經電容連接至轉換器的回路(即接地)。此一繞線藉由保持共模雜訊位在電源轉換器之內，有助於把共模雜訊轉移遠離電源線。
圖1是升降壓電源轉換器的例子，其係使用電感性屏蔽修正以減少電磁干擾(EMI)。如圖1所示，電源轉換器包含第一濾波器110、整流器120、第二濾波器130、第三濾波器140、有關聯偏壓電路152的控制電路150、第一電感L1、與第一電感L1磁耦合的第二電感L2、第一電容C1、第二電容C2、二極體D1、電晶體Q1、電阻R1以及發光二極體(Light-Emitting Diode,LED)負載LLED。
應理解圖1例示的控制電路150可為驅動LED負載LLED的 LED驅動器，而關聯偏壓電路152遵守製造商指示。然而，圖1的控制電路150和關聯偏壓電路152係視為非限制的例子，且熟悉此技藝之人士按照本揭露應明白只要有可用於電源轉換器的基本切換控制功能，控制電路150可作為接近無限種形式。
在操作時，交流電(AC)電源係經第一濾波器110提供至整流器120。整流器120使用交流電源建立整流電壓VR。電流接著經濾波器130、140到節點N1，其中第一電感L1、第一電容C1、二極體D1、電晶體Q1、電阻R1以及控制電路150配置為升降壓轉換器。亦即，控制電路150引發電晶體Q1於所需頻率切換開和關，使第一電感L1和二極體D1在第一電容C1兩端建立工作電壓，其可依序使用以提供電源給負載，例如兩個或更多個串聯的LED。雖然圖1是使用升降壓拓墣，應理解任何其他已知或之後發展的電源拓樸亦可使用。
在操作時，電晶體Q1的固定切換在第一電感L1兩端產生大電壓變動率dV/dt。因在第一電感L1及屏蔽繞線(即第二電感L2)之間的寄生耦合，如此快速地改變電壓將基於等式IP=CP*dV/dt驅動電流IP比例地通過寄生互繞電容CP(圖1未示)。因第二電感L2連接至轉換器的回路(即接地)，大部分的共模電流係免於傳回電源線。反之，當電晶體Q1重複地切換開和關，電流迴路IL係經由電阻R1、電晶體Q1、第一電感L1、第二電感L2及第二電容C2而形成。電流迴路IL使電源轉換器產生的切換雜訊量減少。
為使此解決方案更有效，第二電容C2應盡可能地或實際地接近地(或其他回路)以及第二電感L2。這將明顯地減少迴路阻抗，特別是寄生電感，並確保共模電流的最短路徑。
使用上述方法，會有較少雜訊注入提供電源至電源轉換器的電源線。因此，需要較少的濾波，且第二(pi拓樸)濾波器130可作成實質上較小(且較不昂貴)的組件。
圖2是電感性屏蔽的例示電感L1，可用於圖1之電源轉換器。如圖2所示，鐵氧體磁芯210(或等效裝置)具有被第二電感繞線(具有末端L2A及L2B)分開的第一電感繞線(具有末端L1A及L1B)。電感末端L1A及L1B係連接電源轉換器。電感末端L1A係電性開路，而電感末端L1B係電容地耦接至地(或其他回路)。
各電感L1及L2的繞線數目可隨認為必須或其他需要而改變。然而，可設想第二電感L2的至少一繞線位在第一電感L1的半繞線組(或更多)之間。然而，在其他實施例並不限於圖2的一般繞線範例。舉例而言，第二電感L2的繞線可整個置於第一電感L1繞線的一側，或可選替地將第二電感L2的繞線置於第一電感L1繞線之上，使得第二電感L2不會接觸芯210。
圖3描述圖1之修正升降壓電源轉換器的EMI測試結果。圖310(上圖)描述圖1之電路在未使用電感性屏蔽(即沒有電感L2與電容C2)下的EMI測試結果；而圖320(下圖)描述圖1之電路在使用電感性屏蔽下的EMI測試結果。如對應的區域312與區域322所示，雜訊降低使用電感性屏蔽係實質地改善，峰值雜訊約於10MHz區域降低近15db。
雖然本發明觀點已與本發明作為範例的特定實施例一併描述，對實施例可提出變化、修改及變型。相應地，前述之實施例式作為描述而非限制。在不悖離下列申請專利範圍的範疇可提出各種修改。

Claims (16)

  1. 一種電源轉換器，包含：一第一電感，具有一第一端及一第二端，該第一電感於該第一端電連接至一直流電壓電源，且於該第一電感的該第二端電連接至一二極體之一正極；一電晶體，具有一第一端、一第二端、一閘極端，其中該電晶體的該第一端具有一第一電源線，且該第一電感的該第二端連接至該第一電源線，該電晶體的該第二端連接至地；一第一電容，具有一第一端及一第二端，該第一電容於該第一端電連接至該直流電壓電源，且於該第一電容的該第二端電耦接至該二極體之一負極；一第二電感，具有一第一端及一第二端並與該第一電感磁耦合，其中該第二電感之該第一端係電性開路，該第二電感之該第二端係經由一第二電容電耦接至地；以及一控制電路，係連接該電晶體的該閘極端，以控制該電晶體的切換，其中當該電晶體重覆地切換開和關，一電流迴路係經由該電晶體、該第一電感、該第二電感及該第二電容而形成，該電流迴路使該電源轉換器產生的切換雜訊量減少。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該第二電容係設置接近該第二電感並接地以顯著地減少電流迴路內的寄生阻抗。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，更包含一鐵氧體磁芯磁耦合該第一電感及該第二電感。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電源轉換器，其中該第二電感的至少一繞線位在該第一電感的至少一半繞線組之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，更包含兩個或更多個發光二極體串聯於該第二電容的該第一端及該第二電容的該第二端之間。
  6. 一種電源轉換器，包含：一第一電感，具有一第一端及一第二端，該第一電感於該第一端電連接至一第一電容；一電晶體，具有一第一端、一第二端、一閘極端，其中該電晶體的該第一端具有一第一電源線，且該第一電感的該第二端連接至該第一電源線，該電晶體的該第二端連接至地；一第二電感，具有一第一端及一第二端並與該第一電感磁耦合，其中該第二電感之該第一端係電性開路，該第二電感之該第二端係經由一第二電容電耦接至地；以及一控制電路，係連接該電晶體的該閘極端，以控制該電晶體的切換，其中當該電晶體重覆地切換開和關，一電流迴路係經由該電晶體、該第一電感、該第二電感及該第二電容而形成，該電流迴路使該電源轉換器產生的切換雜訊量減少。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電源轉換器，其中該第一電感、一二極體、該第一電容及該電晶體係提供一升降壓電源轉換器，其中該二極體的一正極係電連接至該第一電感的該第二端。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之電源轉換器，其中該第二電容係設置接近該第二電感並接地以顯著地減少該電流迴路內的寄生阻抗。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之電源轉換器，更包含一個或更多個雜訊濾波器電耦合至該第一電感並減少由該電源轉換器產生到提供電力給該電源轉換器之電源線的雜訊量。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之電源轉換器，更包含一鐵氧體磁芯磁耦合該第一電感及該第二電感。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電源轉換器，其中該第二電感的至少一繞線位在該第一電感的至少一半繞線組之間。
  12. 如申請專利範圍第6項所述之電源轉換器，更包含兩個或更多個發光二極體串聯於該第二電容的該第一端及該第二電容的該第二端之間。
  13. 一種電源轉換方法，包含：整流一輸入電壓以提供一直流電壓電源至一電源轉換器，該電源轉換器包含一第一電感電耦接至一電晶體，以及一第二電感磁耦合該第一電感，其中該電晶體的第一端具有一第一電源線，且該電晶體的第二端連接至地；該第一電感具有第一端以及連接至該第一電源線的第二端；該第二電感之第一端係電性開路，該第二電感之第二端係經由一電容電耦接至地；以及切換該電晶體以提供一輸出電壓，其中當該電晶體重覆地切換開和關，一電流迴路係經由該電晶體、該第一電感、該第二電感及該電容而形成，該電流迴路使該電源轉換器產生的切換雜訊量減少。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之電源轉換方法，其中一鐵氧體磁芯係磁耦合該第一電感及該第二電感。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電源轉換方法，其中該第二電感的至少一繞線位在該第一電感的至少一半繞線組之間。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之電源轉換方法，更包含使用該輸出電壓提供電源給至少兩個或更多個發光二極體。
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