利用电感线圈包裹屏蔽实现降噪的方法技术

本发明专利技术的目标是降低开关电源的电磁噪声，从开关电源的磁耦合器件的绕组结构上进行合理安排，利用线圈叠绕后所形成的电场屏蔽效应，减少产生电磁噪声的因素，抑制脉冲噪声的传导，将通常原边置内、副边置外的变压器绕法，改为副边置内、原边置外的变压器绕法，再外加屏蔽层阻挡空间电磁辐射。本发明专利技术适用于各类隔离式开关电源变压器的设计制作，特别是降压型的隔离式开关电源，可以消除静电荷放电现象，有效降低开关电源噪声电压的输出。所设计的开关电源样品综合应用各种降噪技术后，输出口差模噪声电压可在达到4mV以下。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的内容应该属于电磁兼容技术(EMC)和低压供电
，是一种通过对开关电源变压器线圈绕制结构的改进来降低电路电磁噪声传导能力的措施，是电磁干扰(EMI)抑制技术在开关电源中的体现，与开关电源制造技术密切相关。为生产低电磁噪声开关电源提供技术基础，为开关电源替代线性电源创造条件。
技术介绍
目前，开关电源已经成为电子设备的主要供电装置，已逐步进入到普及阶段。但许多开关电源仍存在输出电压中噪声电压大的弊病，小功率开关电源的噪声电压一般在近百毫伏至几百毫伏之间，其输出电压的稳定性也无法与串联型稳压电源相比，因而在许多对干扰敏感的场合还是受到了较多限制。可以说电子设备中开关电源处于电磁干扰(EMI)较为突出的位置，对于电磁干扰能量的衡量通常用讯扰电平来描述，它包括差模噪声电压和 共模噪声电平。随着器件工作速度的不断提高，电磁干扰的问题更加需要解决。为了使得开关电源输出电压中的噪声电压尽量低，工程技术人员采用了许多措施，如滤波法、铁质机箱屏蔽法、短路环抑制辐射法、加平滑电感消振、在器件特性上进行改善、采用合适的线路布局等。虽然这些方法都是行之有效的，不过最终效果与线性电源相比仍然存在较大差距。根据开关电源的能量耦合方式，大致可以分为二类正激励式开关电源和反激励式开关电源。在正激励工开关电源中，作能量耦合的电磁转换装置称为变压器，在反激励式开关电源中，作能量耦合的电磁转换装置称为耦合电感。实际上，变压器和耦合电感在结构上完全一致，只是他们的绕组匝数有所不同，所以在本专利技术中统称他们为开关电源变压器，即以下所称的开关电源变压器也包括耦合电感。开关电源变压器的输入输出端口电路是产生电磁噪声的主要部位，变压器成了传导噪声的重要途径。通常在变压器绕组的绕制中，重点要考虑电感量大小、漏感大小、层间电容三个主要指标。电感量大小要根据电源功率大小确定，与本专利技术无关。一般的开关电源变压器由高导磁铁氧体材料构成磁路，虽然磁芯磁导率较高，但也是有限的，必定存在漏电感量。在通常的开关电源中，这一漏电感量是造成噪声电压的重要原因之一，设计者希望漏感小一些。另一方面，变压器中绕组线圈采用叠绕的方式，线与线之间、绕层与绕层之间、绕组与绕组之间都会形成电容效应，从而造成电场耦合，使得噪声电压得以传导。尤其是层间电容的传导作用更显著，绕层间电容越小传导量也越小。但解决绕层间电容问题往往和解决漏感问题成为一对矛盾，总不能便两者同时减小。隔离式开关电源的绕组根据作用不同分为三类激励绕组、输出绕组、辅助电源绕组。这里的辅助电源绕组是指为激励电路供电的一个绕组，如果是为输出电路中某些控制电路供电而设置的绕组在本说明书中都归为输出绕组。开关电源变压器绕组的最基本绕法有三种一是绕组并列排放法，如附图3所示，他的漏感最大，绕组之间电容效应最小，实际很少采用；二是独立绕组包裹绕法，如附图4所示，激励绕组(又称原边绕组)在最内层，辅助电源绕组贴近激励绕组，外面包裹输出绕组(又称副边绕组)，这种绕法相比并列排放法的漏感有所减小，绕组之间电容效应有所增大。三是目前比较多的资料特别强调线圈绕制中减小漏感，采用绕层交叉包裹的方法，如附图5和附图6所示，将激励绕组和输出绕组分层交叉包裹叠绕，使得他们的漏感尽量小，但很明显，不同绕组的绕层与绕层贴近面增大，绕组间的电容使得电场耦合效应也增大，噪声电压传导途径更加宽广，在减小因漏感所引起的噪声脉冲的同时，又 从另一个方面增大了噪声电压输出的可能性。变压器作为产生和传导噪声的重要器件，传统开关电源变压器绕法中漏感和耦合电容的矛盾无法协调。本专利技术从开关电源变压器绕组结构入手，在本人以前所提出的开关电源的电路自适应续流技术基础上，改变开关电源变压器的绕制结构，切断开关电源噪声电压在其变压器中的电场耦合途径，从而得以降低噪声电压的输出。通过多种降噪手段共同作用，提高开关电源输出电压的纯净度，使其接近线性电源的输出质量。本专利技术所涉及的电磁噪声抑制技术是众多抑制技术中的一类，适用于变压器耦合电磁能量的开关电源，并且需要电路自适应续流技术配合。在实际制造低电磁噪声的开关电源时，应该采用多种技术相结合，排除所有产生干扰的因素后，才能达到理想的目的。电源是多数电子设备中必不可少的一个部件。配备一个高品质的电源，有利于提高电子设备的整体质量。因此，本专利技术所涉及的方法必定会有一个很好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的基本思想是利用线圈包绕后所形成的外对内的电场屏蔽效应，阻断干扰脉冲信号通过空间直接传递和感应电荷的直接耦合。对于采用耦合电感或变压器耦合电磁能量的开关电源，其变压器线圈采用独立绕组包裹法，并且将脉冲幅度大的激励绕组置于外部，输出绕组包裹于激励绕组的内部，其绕制循序是先在最内层绕输出绕组(副边绕组)，如果有多个输出绕组，他们在置于内层的条件下层次可以随意放置。输出绕组之外层面绕激励绕组(原边绕组)，激励绕组的激励端置于该绕组本身的外层，激励绕组的电源端置于该绕组本身的内层。最后绕制辅助电源绕组，如附图I所示。绕组的起始端和终止端分配以激励绕组的激励端置于该绕组本身的外层为基本依据，由电路原理要求和布线结构共同确定。由此构成对输出绕组的屏蔽效应，使之具有消除静电荷积聚，减少空间耦合脉冲信号的作用。对于滤波电电感，采用同轴多层包绕形式，也形成有内外之分的空间屏蔽结构，夕卜层端头为滤波电路前端，内层端头为滤波电路后端。一般开关电源周期性的噪声电压主要产生于激励管开通和关闭这两个瞬间。在激励管关闭瞬间，主要是漏电感量和变压器副边整流器件上电流跃变产生噪声电压，在此称作关闭噪声。漏电感量越大，所产生的噪声脉冲能量也越大，这也是传统绕工艺中尽量减少绕漏电感量的原因。如果在开关电源的电路设计中采用本人以前提出的电路自适应续流法，激励管关闭噪声已经被抑制得很小，而且，在续流过程中，滤波电感器的电流会拉引变压器磁芯中的磁力线走向，具有减小漏电感量的作用。因此，漏电感量的存在不再是严重问题，在绕组绕制过程中不必刻意地追求减小漏感，为采用独立绕组包裹绕法提供了可行性。事实证明，就是采用漏感较大的开关变压器，仍然可以使得关闭噪声电压幅度很低。在激励管开通瞬间，激励管的导通使得激励绕组两端瞬间加上电压，特别是在交流电网供电的电源中，激励绕组激励端的电位跃变量很大，在传统的绕法中，这一电位跃变置于绕组内层，可以通过层间的电容效应传导至外层，也就是传导至输出绕组，以共模噪声出现，直接在电源的输出端产生强烈的噪声电压，而且难以用滤波器滤除，在示波器测量过程中可以看到幅度很大的尖刺脉冲。同时，这一电位跃变可以在层间电容和绕组电感间产生寄生振荡，通过变压器的电磁耦合，以差模噪声的形式在电源的输出端出现。如果改用本专利技术的绕组绕制方法，输出绕组置于内层，激励绕组置于外层，并且激励绕组的激励端置于外层的外端，绕成内外包裹结构，形成了一个电场屏蔽效应，贴近输出绕组的部分是电位基本稳定的激励绕组电源端，如附图2所示。我们知道，金属球体表面的电荷产生的电场总是向外福射，不会在其内部产生电场。同样，环形导体的电场也是向外福射，不会在其内部产生感应电场，最外层的电位跃变很难通过层间感应往内层传导。实际变压器中脉冲信号的传递存在两种形式一是通过正常的电感产生磁场，磁场本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用电感线圈包裹屏蔽实现降噪的方法，其特征是：开关电源变压器或耦合电感器的线圈采用独立绕组包裹法，并且将脉冲幅度大的激励绕组置于外部，输出绕组被包裹于激励绕组的内部，即输出绕组（副边绕组）置于最内层，如果有多个输出绕组，他们在置于内层的条件下层次可以随意放置，输出绕组之外层面绕激励绕组（原边绕组），激励绕组的激励端置于该绕组本身的外层，激励绕组的电源端置于该绕组本身的内层，最外层绕制辅助电源绕组，由此构成对输出绕组的屏蔽效应，使之具有消除静电荷积聚，减少空间耦合脉冲信号的作用；滤波电感采用同轴多层包绕形式，外层端头为滤波电路前端，内层端头为滤波电路后端。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庭勋，
申请(专利权)人：浙江海洋学院，陈庭勋，
类型：发明
国别省市：