帶有幹擾抑制的電源以及用於操作電源的方法與流程

2023-06-12 09:55:22 2

本發明一般而言涉及其中初級側和次級側通過變壓器聯接在一起的開關式電源的技術領域。特別地，本發明涉及這種開關式電源中電磁幹擾的抑制。

背景技術：
圖1示出回掃型(flyback-type)開關式電源的已知原理。該電源包括通過變壓器聯接在一起的初級側101和次級側102。輸入至初級側的AC(交流電)在整流器103中經過整流。扼流器104和電容器111在整流器輸出處起到濾波器的作用。用振蕩器電路107所驅動的開關106對通過變壓器的初級繞組105的初級電流進行有規律的切斷(chop)。截斷初級繞組105中的電流使得曾暫存於變壓器磁場中的能量以通過變壓器次級繞組108的電流的形式釋放。次級側的二極體109對次級電流進行整流並使得次級電壓維持在電容器110兩端。所述次級電壓充當電源的DC(直流)輸出電壓。開關式電源的操作包括通過感性電路元件的電流的快速變化，這進而成為電磁幹擾(EMI)的已知來源。為了不幹擾其他電子器件的操作，以及還為了減小電源自身組件的不必要負載，儘可能地抑制電磁幹擾的各種來源會是有利的。針對EMI抑制的兩種已知且廣泛使用的方法包括在電源本身及其連接中使用濾波器組件，以及在電源和/或其部件周圍使用導電屏蔽體。

技術實現要素：
根據第一個方案，可提供一種開關式電源，包括：變壓器，其具有初級繞組和次級繞組；以及開關，其與所述初級繞組串聯耦接，且被配置為反覆地中斷通過所述初級繞組的電流。所述開關式電源可包括：電感器，其位置相對於所述初級繞組和次級繞組被配置而感生的多個磁場有所不同；以及所述電感器和包含所述初級繞組和次級繞組其中之一的電路之間的連接；其中所述連接被配置為將第一電壓從所述電感器連接至所述電路，該第一電壓具有第二電壓所表現的波形且極性與該第二電壓相反，所述第二電壓是在所述開關的切換時刻由所述變壓器的漏磁通在所述開關式電源中感生的。由此可實現對共模電磁幹擾的有效抑制。根據另一方案，可提供一種用於操作開關式電源的方法，包括：反覆地中斷通過變壓器中初級繞組的電流。該方法可包括：感生第一電壓，該第一電壓具有第二電壓所表現的波形且極性與該第二電壓相反，所述第二電壓是在中斷所述電流的時刻由所述變壓器的漏磁通感生的；以及將所述第一電壓連接至包含所述變壓器其中一個繞組的電路。由此可實現減小所述開關式電源中共模電磁幹擾的水平。本文中所舉的示例性實施例並非要解讀為對所附權利要求的適用性作出限制。本文中的動詞「包括」是用來作為不排除還存在未記載特徵的開放式限定。除非另有明確表示，否則在從屬權利要求中記載的特徵可互相自由組合。被認為是本發明特點的新特徵在所附權利要求中具體闡述。然而，通過結合說明書附圖閱讀以下具體示例實施例的描述，能夠對本發明自身無論是關於其構造還是其操作方法以及其額外的目的和優點有最佳的理解。附圖說明圖1示出示例的開關式電源，圖2示出示例的變壓器，圖3示出漏電感的概念，圖4示出示例情況中的測量共模電壓，圖5示出位於變壓器附近的示例電感器，圖6示出示例的開關式電源，圖7示出示例電感器兩端的測量電壓，圖8示出示例情況中的測量共模電壓，圖9示出示例的開關式電源，圖10示出示例情況中的測量共模電壓，以及圖11示出示例的開關式電源。具體實施方式現在將參照圖2至圖11說明開關式電源及方法的示例。本發明的實施例有關於共模幹擾。根據發現，共模幹擾在很多情況下都與開關式電源的一部分中由變壓器裡的漏磁通所感生的電壓有關。因此簡要討論漏磁通的概念及其效果。圖2示出示例變壓器的截面。在該示例中，初級繞組105和次級繞組108已被卷繞成同心繞著變壓器鐵芯201的杆狀部的圓柱形繞組，其中次級繞組更靠近所述鐵芯。可選地，初級繞組可卷繞得更靠近鐵芯。電絕緣體層以及可能的輔助線圈隔開所述繞組，但為圖示清楚起見而在附圖中省略了它們。為了儘可能高效地實施從初級側到次級側的能量傳遞，應當儘可能緊密地將所述初級繞組和次級繞組互相磁性聯接。如果用磁通量線來示出繞組的磁場，則它們應當儘可能多地環繞兩個繞組的導體的截面。然而，在實際變壓器中，一個繞組的一些磁通量總是會與另一繞組保持解耦合(uncoupled)。在圖2中，磁通線202為兩個繞組共有的，但磁通線203示出初級繞組105的磁通量未耦合至次級繞組108。這樣的磁通量被稱為漏磁通，並且其引起被稱為漏電感的現象。在像圖2那樣的變壓器配置中，漏磁通並不僅僅是外側繞組的專屬。有可能繪出這樣一條磁通線，其如此緊密地環繞次級繞組108的導體截面以至於其不會環繞初級繞組105的導體截面。這樣的磁通線會表現出與內側(即次級)繞組關聯的漏磁通。在開關式電源的操作期間，能量反覆地存儲在所述漏磁通中以及從其中釋放。在圖2的示例變壓器中，其效果就像是有第一自由電感器(freeinductor）與初級繞組串聯耦接並且有第二自由電感器與次級繞組串聯耦接。圖3示出這樣虛擬的串聯耦接電感器301和302。在圖3的左側，開關106閉合，並且初級電流Ip流經初級繞組的理想表示303和第一虛擬串聯耦接電感器301這二者。在圖3的右側，開關106剛好被斷開。中斷所述初級電流使得曾暫存於磁場中的大部分能量以次級電流IS的形式釋放到次級側中，該次級電流IS流經次級繞組的理想表示304和第二虛擬串聯耦接電感器302這二者。然而，例如有概念上關聯於所述第一串聯耦接電感器301的漏磁通感生出電壓VI，該電壓VI的極性使其試圖抵抗初級電流的突然降低。由於感生電壓的大小與電流的變化速度成比例，所以初級電流的突然切換感生出相對較高的電壓。應當強調的是，第一和第二串聯耦接電感器301和302物理上並不存在。它們只是漏電感概念的圖示表現。圖4示意性地示出切換脈衝附近的時間期間在初級繞組和次級繞組之間的示例測量電壓，在該切換脈衝處初級開關先是閉合然後斷開。這是所謂的共模電壓，其一般示出在變壓器處測量的初級側和次級側之間的電勢差。通常該電勢差基本上是在值C附近恆定的，該值C例如可為零。然而，在切換脈衝期間(即，在初級電流的開關保持導通時的時間期間)，能看出某一脈衝形的電勢差，其在圖4中出現於時間間隔401期間。在切換脈衝結尾的切換時刻，也即，在所述開關變成非導通的時刻，開始從漏磁通釋放能量。在時間間隔402期間，出現一電壓波形，其與由漏磁通所釋放的能量感生的電壓相關聯。彼此位置緊密的電傳導部件中的高電壓造成電容耦合，其是通過電場而不是磁場發生的能量傳遞的一般名稱。尤其是，由漏磁通所釋放的能量感生出的相對較高電壓通過電容耦合而在變壓器上造成共模電壓。圖5示出變壓器具有初級繞組105和次級繞組108的示例配置。假設圖5的變壓器是開關式電源的一部分，該開關式電源包括與初級繞組105串聯耦接的開關(圖5中未顯示)。所述開關被配置為根據開關式電源中利用的已知原理來反覆中斷通過初級繞組105的電流。除變壓器外還有電感器501，其所處的位置相對於所述初級繞組和次級繞組被配置以感生的多個磁場有所不同。由於其位置，所述電感器501充當一種測量漏磁通的傳感器。例如，如果電感器501是要測量關聯於初級繞組105的漏磁通，則其位置「相對於所述初級繞組和次級繞組被配置以感生的多個磁場有所不同」最為有利的是使得與次級繞組相比初級繞組的磁通量有更大部分與電感器501耦合。由於其位置，電感器501在初級電流被中斷的切換時刻將經歷感生的電壓波形。如果在電感器501與包含初級繞組和次級繞組其中之一的電路之間存在連接，則有可能利用這一感生電壓波形來抵抗由漏磁通釋放的能量所引起的共模幹擾。所述連接最為有利的是使得所述電壓波形表示第二電壓且極性與該第二電壓相反，該第二電壓是在開關的所述切換時刻由變壓器的漏磁通在所述開關式電源中感生的。換言之，電感器501處的感生電壓波形的極性優選與變壓器上共模電壓的波形相反。圖6示出開關式電源中某些部件的簡化示例。初級電流路徑包括一電路，該電路的部件為：扼流器104，其還可被稱為大容量電感器(bulkinductor)或第二電感器；初級繞組105；以及開關106。所述電感器501與開關106耦接。相比上文更概括的說明，所述「包含初級繞組和次級繞組其中之一的電路」這裡是指初級電流路徑，並且所述「電感器501和所述電路之間的連接」這裡是指電感器501與初級電流路徑的開關106的連接。通過適當選擇電感器的極性，能夠確保電感器501中感生的第一電壓具有期望極性，即與所述開關的切換時刻由變壓器的漏磁通在開關式電源中感生出的第二電壓極性相反。在圖6的示例開關式電源中，扼流器104的電感比電感器501的電感高(例如10倍)。扼流器104中較高的電感有助於將生成電壓的波形維持得與變壓器上漏磁通所生成電壓的波形相似。操作像圖6那樣的開關式電源包括反覆地中斷通過變壓器中初級繞組105的電流。由於電感器501的位置相對於初級繞組和次級繞組被配置以感生的磁場有所不同，這使得感生至電感器501中的第一電壓表現出中斷所述電流的時刻由所述變壓器的漏磁通所感生的第二電壓的波形且極性與其相反。圖6中所示的連接使得將所述第一電壓連接至包含變壓器其中一個繞組(這裡是初級繞組)的電路。開關式電源的初級側可在初級電流的正軌(positiverail)和負軌(negativerail)之間包含電容器。在圖6的示例耦接中，電容器601與扼流器或大容量電感器或第二電感器104一起都是初級濾波配置的一部分。實際具有內電容的電感器501可組成會引起有害振蕩(unwantedringing)的LC諧振電路。該諧振還可能來自系統中的其他電抗元件。如有必要，其可通過將電阻器602與電感器501並聯耦接來避免。並聯電阻器602的阻值應當選擇得足夠高從而使其不會實質上使電感器501短路。也即，電感器501兩端的並聯電阻過低會不必要地使電感器501中感生的電壓流失，這會在抵抗由變壓器的漏電感所造成的EMI時降低它的值。圖7示出開關式電源中在電感器501兩端測量的示例電壓，該開關式電源包含像圖6那樣的配置。位置701和702處的電壓尖峰被認為是開關式電源的高壓部件與電感器501之間電容耦合的結果。此外，或者可選地，它們可指示通過電感器501的共模電流。然而，在時間間隔703期間明顯有一電壓波形表現出圖4示出為由變壓器的漏磁通而在初級繞組和次級繞組之間感生出的第二電壓的波形且極性與其相反。圖8示出開關式電源中的示例測量共模電壓，該開關式電源包含像圖6那樣的配置。因而圖8的電壓圖形可與圖4的相比較，差異在於圖8的電壓圖形是在包括共模幹擾抑制配置的開關式電源中測量的。在時間間隔401期間仍然有脈衝形的電勢差，但緊隨其後在時間間隔703期間圖4中存在的漏磁通感生的電勢差波形現在不顯著得多。如有必要，切換脈衝的開頭和結尾處在圖8的電壓圖形中可見的短時瞬態(shorttransient)能夠加以衰減。圖9示出實施了這樣的衰減的開關式電源中某些部件的簡化示例。在圖9的開關式電源中，變壓器具有初級繞組105和次級繞組108。開關106與所述初級繞組串聯耦接且被配置為反覆地中斷通過所述初級繞組的電流。電感器501所處的位置相對於所述初級繞組和次級繞組被配置以感生的磁場有所不同，並且在所述電感器501與包含所述初級和次級繞組其中之一(這裡特別是指初級繞組105)的電路之間存在連接。所述連接被配置為將第一電壓從所述電感器連接至所述電路，該第一電壓具有在所述開關的切換時刻由所述變壓器的漏磁通在所述開關式電源中感生的第二電壓所表示的波形且極性與其相反。由電感器501生成的共模電壓與變壓器上的共模電壓串聯。該變壓器具有極性與電容耦合電壓相反的輔助繞組904。通常，最高的電壓是在初級側中，並且這造成最強的電容耦合。在這種情況下，輔助繞組904的極性與初級電壓相反。輔助繞組904和電容器901的串聯耦接再與電感器501並聯耦接。通過使用適當選擇的小電容器901能夠實質上消除電容耦合的效果。高頻尖峰701和702還可因除電容耦合之外的其他一些原因而發生。如果所述脈衝的頻率含量在相位上相反，則依然可使用所描述的電容消除處理。相對較小電容值的電容器901通常就已足夠；在根據本發明實施例的示例配置中，使用了1皮法(picofarad)的電容。與圖6中類似，圖9的開關式電源包括與初級繞組105、開關106、和電感器501耦接的第二電感器104(還被稱為扼流器或大容量電感器)。在第二電感器104、初級繞組105、開關106、以及電感器501的串聯耦接中，所述第二電感器104與電感器501相比是位於初級繞組105和開關106的另一側。還可以將電感器104和501的位置在彼此之間互換。進一步，可以通過一個或多個電子組件將第二電感器104和/或電感器501耦接至初級繞組105和開關106的串聯連接。例如，在第二電感器104和初級繞組105之間可耦接整流器。所述開關式電源還可在初級電流的正軌和負軌之間包括電容器。在圖9的示例中，所述開關式電源包括與串聯耦接的所述第二電感器104、所述初級繞組105、所述開關106和所述電感器501並聯耦接的電容器902。圖9的開關式電源還包括與串聯耦接的所述初級繞組105和所述開關106(而並非所述電感器501或所述第二電感器104)並聯耦接的電容器903。圖10示出開關式電源中的示例測量共模電壓，該開關式電源包含像圖9那樣的配置。因而圖10的電壓圖形可與圖8的相比較，差異在於圖10的電壓圖形是在包括圖9中電容器901和輔助繞組904的開關式電源中測量的。在時間間隔401期間仍然有脈衝形的電勢差，但其開頭和結尾處的短時瞬態顯著比圖8中的幅度小。有規律的脈衝共模幹擾相對較容易得到抑制。因而，通過在開關式電源中除目前為止所描述的電感器501之外還包括脈衝共模幹擾抑制電路，能夠使圖8和圖10的電壓-時間圖形接近恆定電壓處直線的最佳形狀，該脈衝共模幹擾抑制電路用於抑制在比之前提及波形更長的時間尺度上發生的共模幹擾。實際放置電感器501以使其位置相對於初級繞組和次級繞組被配置以感生的磁場有所不同，這可便利地通過在電路板上適當選取變壓器和電感器的安裝位置來完成。圖11示意性示出示例開關式電源的部件，其包括變壓器1102與之附連的電路板1101。電感器501在變壓器1102附近與所述電路板1101附連。例如通過實驗能夠找到對於電感器501的合適位置，在該位置處電感器501能夠適當地感測與漏電感相關的磁通量。作為可選，其任務是感測與漏電感有關的磁通量的電感器能夠被構建為變壓器的一部分。由變壓器技術所公知的，能夠以多種方式繞共同鐵芯或在共同變壓器結構內放置數個繞組。仍然能夠例如通過實驗來找到附加電感器可足夠清楚地感測到與漏電感有關的磁通量的最合適的配置。本說明書中所舉的示例僅為本發明的適用性的示例，而不應當解釋為限制所附權利要求中限定的保護範圍。例如，在所有附圖中，已經省略了開關式電源中對於共模電磁幹擾的生成和抑制而言無關緊要或毫無意義的這些部件和組件。另外，即使圖5和圖11看來是建議變壓器繞組的縱軸相對於附加電感器的縱軸應當成直角，但這僅僅是與圖示清楚有關的選擇，而並非限制以不同方式選取這些縱軸的方向。在很多情況下，這些繞組甚至並非圓柱形，此時談及任何縱軸或是它們的方向就變得毫不相干。一類重要的可選實施例包括這樣的開關式電源，其中漏磁通感測電感器是連接至次級繞組，而並非像前述實施例那樣是連接至初級繞組。由於圖4、圖8和圖10中所示的共模電壓是初級繞組和次級繞組之間的電勢差，所以通過影響初級繞組或次級繞組中任一或二者的電勢都能夠影響該共模電壓。在連接漏磁通感測電感器時應當注意其適當的極性，這是因為以不當的方式將其耦接會使所述漏磁通感生共模幹擾電壓增大而不是減小。然而，由於電感器的最簡單形式只具有兩端，所以如果沒有以其他方式得知，也容易測試在每種情況中應當以哪種方式連接該電感器。