專利名稱：降低開關(guān)電源電磁噪聲的技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種降低開關(guān)電路電磁噪聲的技術(shù)，屬于電磁兼容技術(shù)(EMC)領(lǐng)域， 是電磁干擾(EMI)抑制技術(shù)在開關(guān)電源中的體現(xiàn)，為生產(chǎn)低電磁噪聲開關(guān)電源提供技術(shù)基 礎(chǔ)，為開關(guān)電源替代線性電源創(chuàng)造條件。
二.
背景技術(shù)：
科技的進(jìn)步帶來了生活上的便利的同時，大功率電子設(shè)備大量進(jìn)入家庭，空間人為電磁 能量每年急增，帶來了越來越多的電磁污染。開關(guān)電源是處于電磁干擾(EMI)突出的位置， 體現(xiàn)在輻射與傳導(dǎo)兩方面。除了造成電磁輻射污染之外，目前的開關(guān)電源普遍存在輸出電壓 中噪聲大的弊病，輸出直流電壓中寄存的噪聲電壓高的有幾百毫伏，較低的也有近百毫伏。 其輸出電壓的穩(wěn)定性也無法與串聯(lián)型穩(wěn)壓電源相比，因而在許多場合的應(yīng)用還是受到了較多 限制。對電源質(zhì)量要求較高之處，仍采用線性電源。這樣對提高電能利用率，縮小儀器設(shè)備 的體積等方面有不利的一面。但由于開關(guān)電源的工作效率高，能量體積比大，仍受到電子、 電氣、通信等各個行業(yè)的青睞，應(yīng)用面有越來越廣的趨勢。
對于開關(guān)電源的電磁噪聲問題，工程技術(shù)人員正在通過各種措施努力加以改善。抑制噪 聲的措施主要有濾波法、屏蔽法、短路環(huán)抑制、加平滑電路消振、在器件特性上進(jìn)行改善、 采用合適的線路布局等。對于任何設(shè)備而言，濾波都是解決電磁干擾的重要技術(shù)之一。因為 設(shè)備中的導(dǎo)線是效率很高的接收和輻射天線，因此，設(shè)備產(chǎn)生的大部分輻射發(fā)射都是通過各 種導(dǎo)線實現(xiàn)的。濾波可以有效地削弱導(dǎo)線上的這些干擾信號，防止電路中的干擾信號傳到導(dǎo) 線上借助導(dǎo)線輻射。機(jī)箱的屏蔽是最主要的一種屏蔽技術(shù)，也有對局部電路加裝屏蔽罩的。 對變壓器的漏磁輻射，通常采用外包短路環(huán)或者外加屏蔽罩的方法加以解決。對于整流管上 電壓躍變引起的振蕩，通常采用加RC平滑電路以消振，或者采用軟恢復(fù)特性的二極管等。 事實證明這些方法都是行之有效的。通過這些方法處理，可以有效抑制電源對外界的干擾， 但仍然達(dá)不到與線性電源相比擬的高品質(zhì)要求。
種種措施可以歸納為二個方向 一是從電磁噪聲形成的源頭上進(jìn)行消除；二是對產(chǎn)生后 噪聲進(jìn)行衰減、隔離。電磁噪聲一旦形成之后，很難徹底消除。所以前者是最根本的方法， 重點是破壞電磁噪聲產(chǎn)生的基礎(chǔ)條件。本發(fā)明所涉及的方法就是基于以上思想，其一是利用 開關(guān)電源電路中幾個部件的物理效應(yīng)，相互協(xié)調(diào)工作，消除振蕩的基礎(chǔ)條件，從而抑制了最 突出的噪聲電壓。其二是利用合適的平滑電路，減緩電路中不可避免的電壓躍變的速度，從
3而減弱因電壓躍變而產(chǎn)生的振蕩及其輻射。多種手段共同作用，提高開關(guān)電源輸出電壓的純 凈度，接近線性電源的輸出質(zhì)量。
本專利所涉及的電磁噪聲抑制技術(shù)是眾多抑制技術(shù)中的一類，適用于變壓器耦合電磁能 量的丌關(guān)電源。在實際制造低電磁噪聲的丌關(guān)電源時，應(yīng)該采用多種技術(shù)相結(jié)合，排除所有 產(chǎn)生干擾的因素后，才能達(dá)到理想的目的。
電源是應(yīng)用面最廣的一個電子裝置，是多數(shù)電子設(shè)備中必不可少的一個部件。配備一個 高品質(zhì)的電源，有利于提高電子設(shè)備的整體質(zhì)量。因此，本專利所涉及的技術(shù)必定會有一個 很好的應(yīng)用前景。
三.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對于開關(guān)電源的激勵、變壓、整流、濾波四個部分電路。從技術(shù)層面上看，具 有以下內(nèi)容特點
1.以PWM控制為基礎(chǔ)，巧妙地結(jié)合了若干個電感線圈的續(xù)流關(guān)系，降低電壓、電流的 躍變量值。對于采用變壓器耦合電磁能量的開關(guān)電源，其變壓器中有原邊繞組和副邊繞組。 在正激勵時間內(nèi)，變壓器原邊的勵磁電流上升，變壓器磁芯的磁場能增加。在正激勵結(jié)束時， 變壓器儲能通過電流形式釋放。普通電路中，變壓器放能(激勵管關(guān)閉)時其漏極(或集電 極)電位迅速上升，是形成干擾脈沖的潛在因素；輸出端整流器件的電流、電壓突變是形成 干擾噪聲的主要因素。本發(fā)明要求變壓器必須有二個副邊繞組成對使用，再加上輸出濾波電 感配合使用。變壓器的原邊可以是一個繞組，如單向激勵式、全橋激勵式，也可以是兩個對 稱繞組，如半橋激勵式、推挽激勵式。其中一個繞組輸出正激勵電壓，送至濾波電感，不會 引起電流躍變。另一個副邊繞組用以釋放原邊繞組勵磁電流所產(chǎn)生的變壓器磁場能，在輸出 濾波電感的配合下，限制繞組感生電壓的上升速率，同時，又給輸出濾波電感起到續(xù)流作用， 使得濾波電感不產(chǎn)生過高的自感電壓。具有以上特征性的電原理圖如附圖1所示。圖中用場 效應(yīng)管作為激勵管僅是一個例子，也可以采用其它的功率器件，如晶體三極管、IGBT元件等。
對于第一濾波電感L3磁場能釋放電流與變壓器磁場能釋放電流的配合關(guān)系，要求在變壓
器正向激勵結(jié)束，開始進(jìn)入磁能釋放階段時，磁場能釋放電流轉(zhuǎn)移至副邊繞組中的一組(如
L2b)，并且讓濾波電感L3的續(xù)流值超過L2b中的變壓器磁能釋放電流。以此為原則，對于雙
向激勵式的電源，兩個副邊繞組也是對稱的，濾波電感L3的電感量計算式如下
其中U2:是正激勵期間變壓器副邊的輸出電壓； U。是開關(guān)電源的輸出電壓；U1:是變壓器原邊的激勵電壓；
L1:是變壓器原邊單個繞組的電感量；
n:是變壓器匝比。
對于輸出電壓可調(diào)型的開關(guān)電源，其U。不是固定值，應(yīng)取其最大值代入式中計算濾波電 感L3。
對于單向激勵式的電源，激勵電路與第一濾波電路如附圖2所示。原邊為一個繞組，兩 個副邊繞組一般為不對稱結(jié)構(gòu)。若L,與Lh的匝比為na， L,與L2b的匝比為iv則濾波電感 L3的電感量計算式中的匝比n取用nb。
2. 在輸出功率較大的半橋激勵式、推挽激勵式開關(guān)電源中，激勵管漏極線路中串聯(lián)平 滑電感Ua和L。b，如附圖3所示，以軟化開關(guān)電源激勵管的開通硬特性，降低因激勵管漏極 電位躍變后由漏感、分布電容等引起的電流躍變量值，從而降低電源輸出中的尖脈沖噪聲。 但該電感量不能過大， 一般取控制在luH 5yH之間。電感Loa和U可以獨立設(shè)置，但一般 組成互感的形式。該平滑電感在小型磁環(huán)中繞制而成，磁環(huán)可以是鐵粉芯材料也可以是鐵氧 體材料。
3. 激勵管和輸出整流半橋的散熱器各自接地，以防止激勵管和整流半橋的散熱片電位 躍變引起的高頻電場輻射。整流半橋的散熱器直接輸出直流電路地線(冷地)；激勵管的散熱 器應(yīng)該保證同一次側(cè)電源地線(熱地)構(gòu)成交流通路，但為了整個電源裝置的用電安全，散 熱器可以通過一個560PF 3300PF的高壓電容與地線相連接。也可以將激勵管和輸出整流半 橋共用一個散熱器接電源輸出直流電路地線，同時通過一個560PF 3300PF的高壓電容與一 次側(cè)電源地線連通。
本發(fā)明所涉及的開關(guān)電源工作方式必定是正、反激勵相結(jié)合的形式，即既有正激勵能量 .輸出，又有反激勵能量輸出。而普通的開關(guān)電源很少用到正、反共同激勵方式。就是采用了 正、反共同激勵，對于以反激勵為主的電源， 一般其輸出電壓為定值，如附圖5所示的電路 中不會設(shè)置整流二極管D6;對于雙向激勵的電源整流電路，從理論上考慮濾波電感的續(xù)流要 求， 一般會在附圖7所示的整流管D4、 D5共陰極與輸出電壓負(fù)極之間增加一個續(xù)流二極管D (圖中用虛線表示)。在附圖7所示的電路與其工作方式中，續(xù)流二極管D不但沒有存在的 必要，反而會形成一個電磁噪聲源，本方案將其去除。因此，改變整流電路的結(jié)構(gòu)與整流、 續(xù)流的方式是本發(fā)明的一個核心技術(shù)，是與其它開關(guān)電源電路的區(qū)別之所在。在傳統(tǒng)的電磁 噪聲抑制技術(shù)基礎(chǔ)之上，結(jié)合本發(fā)明所指的組合消噪技術(shù)，可以使開關(guān)電源輸出傳導(dǎo)噪聲達(dá) 到20mVpp以下，輻射噪聲也較小，接近線性電源的輸出噪聲。
5四.


1. 推挽式開關(guān)電源變壓器輸出與濾波電路圖說明
附圖1所示電原理圖是對應(yīng)雙向激勵開關(guān)電源電路中的激勵與輸出濾波部分，屬于典型 的推挽式結(jié)構(gòu)。變壓器有兩個對稱的原邊繞組Lu和Llb，兩個對稱的副邊繞組Lh和L2b為 一對，其中之一用于正激勵輸出電流，另一個用于反激勵期間續(xù)流與釋放變壓器儲能。共陰
肖特基二極管對D3、 D4形式上組成全波整流結(jié)構(gòu)，除了實現(xiàn)全波整流作用外，還用來配合濾
波電感L3減少輸出電流的變化率，實現(xiàn)相關(guān)電壓平滑變換。T,、 T2是同型號的激勵管，Db D2是激勵管的保護(hù)二極管，R" d、 R2、 C2是變壓器漏感能量吸收電路。圖中未畫出其它輔 助電路，目的是為了突出電路平滑續(xù)流的結(jié)構(gòu)特點。
2. 單向激勵式開關(guān)電源激勵與濾波電路圖說明
附圖2所示電原理圖是對應(yīng)單向激勵開關(guān)電源電路中的激勵與輸出濾波部分。變壓器只
有一個原邊繞組Ln —對副邊繞組L2a和L2b。共陰肖特基二極管對D3、 D4形式上組成全波 整流結(jié)構(gòu)，實際是用來配合濾波電感L3減少輸出電流的變化率，實現(xiàn)激勵管漏極電位等平滑 變換。T,是激勵管，R,是壓敏電阻，與D,—起限制激勵管漏極最高電位值，使其被限制在
激勵管漏源耐壓值以下，以保護(hù)激勵管。工作特征是正激勵期間，由L2a向后輸出電能；
反激勵期間，輸出電流由Lh逐步向L2b轉(zhuǎn)移。
3. 激勵管漏極線路中串聯(lián)平滑電感后的電路說明
附圖3所示電原理圖是針對較大功率的開關(guān)電源電路，可以是推挽結(jié)構(gòu)，也可以是其它
結(jié)構(gòu)。在實際線路中靠近激勵管處設(shè)置平滑電感Loa和Lob，用以限制激勵管開通瞬間，由變
壓器繞組匝間電容、線路分布電容等引起的瞬間電流變化率，從而減弱干擾脈沖的形成。
4. 附圖4是變壓器激勵側(cè)地線(熱地)與輸出側(cè)地線(冷地)間用電容器連接的樣例， 是一種抑制共模噪聲的常規(guī)手段，用于非共地結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源。
5. 附圖5是單路固定輸出電壓的應(yīng)用實例，附圖6是其相應(yīng)的線路圖。電路配合T0P 器件，正激勵、反激勵共用方式。整流二極管D7用于正向激勵期間的電能輸出；在反激勵期 間，整流二極管De先導(dǎo)通，接著整流二極管Ds導(dǎo)通，釋放變壓器的儲能。D5導(dǎo)通后，直接向 濾波電容充電，激勵管漏極電位受到限制，電位值由變壓器變比與輸出電壓值共同決定，-般控制在600V以下。只有在固定輸出電壓下，才可以用D5的直接充電連接方式。
6. 附圖7是單路輸出電壓可調(diào)整型大功率開關(guān)電源的應(yīng)用實例，圖中用虛線表示的續(xù) 流二極管D實際不存在。電路采用推挽式結(jié)構(gòu)，正、反激勵共用方式。其中體現(xiàn)出的抑制噪 聲技術(shù)要點是設(shè)置電感L。,.、 U;變壓器原邊繞組電感與輸出第一濾波電感的電感量配合關(guān) 系。利用散熱器阻止高頻電場輻射的技術(shù)在安裝中實現(xiàn)。五.
具體實施例方式
本發(fā)明技術(shù)中開關(guān)電源的能量交換采用變壓器耦合方式，正、反激勵方式共同使用。對 于不同的輸出功率，無論是單向激勵式還是雙向激勵式開關(guān)電源，都可以采用這項技術(shù)，使 電源輸出電壓的噪聲降和電磁輻射干擾低到最小的程度。當(dāng)然，為了使開關(guān)電源的電磁噪聲 盡量低，需要同時釆用多項降噪技術(shù)，包括本發(fā)明之外的一些常用手段，主要有變壓器上 加短路環(huán)進(jìn)行屏蔽；共模、差模濾波；適當(dāng)設(shè)置RC消振電路；合理布線，脈沖電流經(jīng)過的引 線長度盡量短；在變壓器附近的輸入高電壓地線(熱地)與輸出低電壓地線(冷地)間，用 一個電容器相連接，消除由于變壓器繞組分布電容所造成的振蕩輻射源，如附圖4所示。圖 示中僅僅是應(yīng)用樣例，連接的點可以是其它位置。
對于變壓器繞組電感量與濾波器電感量的組合方式，列舉一個應(yīng)用樣例。如附圖l所示 的推挽式激勵電路，變壓器原邊一個繞組的電感量定為4.0mH，變壓器匝比為6:1，變壓器 原邊的激勵電壓為300V，變壓器副邊輸出電壓為50V，開關(guān)電源的輸出最高電壓為30V，則 根據(jù)發(fā)明內(nèi)容l的計算式可知輸出部分第一濾波電感器L3的電感量應(yīng)小于44"H，實際可 以取為近40uH。
根據(jù)本發(fā)明所指的組合消噪技術(shù)構(gòu)造的電路適合制作單路電壓輸出，對于多路直流電壓 輸出的開關(guān)電源，每一路輸出電壓都應(yīng)采用獨立的P麗調(diào)整系統(tǒng)，通過獨立的變壓器輸出。
在開關(guān)電源變壓器繞制時，對應(yīng)線路布置結(jié)構(gòu)，必須保證繞組間的同名端關(guān)系與附圖中 一致。副邊繞組匝數(shù)根據(jù)電壓比決定，原邊繞組匝數(shù)以磁芯不出現(xiàn)磁飽和為準(zhǔn)，計算方法可 以參考其它相關(guān)資料。
主電源輸出端的濾波電感采用鐵粉芯磁環(huán)制作，濾波線圈在磁環(huán)中均勻繞制，以防止磁 場的空間輻射。
當(dāng)線路電流較大時，線路板敷銅膜的導(dǎo)電能力往往不夠大，需要另加導(dǎo)線、焊錫等導(dǎo)電 體以增加導(dǎo)電能力。
權(quán)利要求
1.一種降低開關(guān)電源電磁噪聲的技術(shù)，從電路結(jié)構(gòu)上看具有以下特征特征之一是開關(guān)變壓器的副邊總是有兩個繞組配對與輸出濾波電感器配套使用；這一結(jié)構(gòu)的電路要求正、反激勵方式共同使用，工作過程是實現(xiàn)續(xù)流電流的連續(xù)轉(zhuǎn)移，平滑電路的電壓、電流變化量；工作特點是在電路剛進(jìn)入反激勵期間，濾波電感器的電流值略大于變壓器儲能在副邊繞組中釋放的電流值，以后兩者的電流達(dá)到相等；特征之二是高速開關(guān)電路中，在激勵管與變壓器之間設(shè)置一個小電感量的平滑電感器，降低電源輸出中的尖脈沖噪聲；特征之三是將散熱器兼用作電場屏蔽器；低電壓部分的散熱器直接接地，高電壓部分的散熱器通過電容耦合實現(xiàn)高頻交流接地，或者散熱器均接低電壓部分地線，再在激勵管附近位置通過電容器將散熱器接至高電壓部分的地線，使得既起到電場屏蔽作用，又保證用電的安全性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電磁噪聲降低方法，用于低噪聲開關(guān)電源的設(shè)計、制造；其設(shè)計、 制造中應(yīng)用權(quán)利要求1所述的三個特征中的任何一個實現(xiàn)開關(guān)電源電磁噪聲的降低，所制 造的開關(guān)電源具有峰-峰值40mV以下的傳導(dǎo)電磁噪聲輸出或較低的輻射干擾信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁噪聲降低方法，應(yīng)用于其它低噪聲電子開關(guān)電路的設(shè)計、制造。
全文摘要
本發(fā)明針對于開關(guān)電源的電磁噪聲問題，從衰減、隔離電磁噪聲和阻斷電磁噪聲形成源頭兩方面入手，重點放在破壞電磁噪聲產(chǎn)生的基礎(chǔ)條件上進(jìn)行消除?；舅枷胧抢瞄_關(guān)電源中存在的電感電流不能突變的物理規(guī)律，用多個電感的續(xù)流電流相互配合，平滑電路的電壓、電流變化量，從而消除或削弱電源的電磁噪聲。在傳統(tǒng)的電磁噪聲抑制技術(shù)基礎(chǔ)之上，結(jié)合本發(fā)明所指的組合消噪技術(shù)，可以使開關(guān)電源輸出傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲降至較小的程度，接近線性電源的輸出噪聲水平，為開關(guān)電源替代線性電源提供技術(shù)途經(jīng)。
文檔編號H02M1/00GK101594044SQ20081006204
公開日2009年12月2日 申請日期2008年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月27日
發(fā)明者陳庭勛 申請人:陳庭勛