專利名稱：低訊擾開關(guān)電源變壓器繞組結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
低訊擾開關(guān)電源變壓器繞組結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及的內(nèi)容應(yīng)該屬于電磁兼容技術(shù)(EMC)和低壓供電技術(shù)領(lǐng)域，是一種通過對開關(guān)電源變壓器結(jié)構(gòu)的改進來降低電路電磁噪聲傳導(dǎo)能力的措施，是電磁干擾 (EMI)抑制技術(shù)在開關(guān)電源中的體現(xiàn)，與開關(guān)電源制造技術(shù)密切相關(guān)。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。
背景技術(shù)：
[0002]目前，開關(guān)電源已經(jīng)成為電子設(shè)備的主要供電裝置，已逐步進入到普及階段。但許多開關(guān)電源仍存在輸出電壓中噪聲電壓大的弊病，小功率開關(guān)電源的噪聲電壓一般在近百毫伏至幾百毫伏之間，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，因而在許多對干擾敏感的場合還是受到了較多限制。可以說電子設(shè)備中開關(guān)電源處于電磁干擾(EMI)較為突出的位置，對于電磁干擾能量的衡量通常用訊擾電平來描述，它包括差模噪聲電壓和共模噪聲電平。隨著器件工作速度的不斷提高，電磁干擾的問題更加需要解決。為了使得開關(guān)電源輸出電壓中的噪聲電壓盡量低，工程技術(shù)人員采用了許多措施，如濾波法、鐵質(zhì)機箱屏蔽法、短路環(huán)抑制輻射法、加平滑電感消振、在器件特性上進行改善、采用合適的線路布局等。雖然這些方法都是行之有效的，不過最終效果與線性電源相比仍然存在較大差距。[0003]根據(jù)開關(guān)電源的能量耦合方式，大致可以分為二類正激勵式開關(guān)電源和反激勵式開關(guān)電源。在正激勵工開關(guān)電源中，作能量耦合的電磁轉(zhuǎn)換裝置稱為變壓器，在反激勵式開關(guān)電源中，作能量耦合的電磁轉(zhuǎn)換裝置稱為耦合電感。實際上，變壓器和耦合電感在結(jié)構(gòu)上完全一致，只是他們的繞組匝數(shù)有所不同，所以在本發(fā)明中統(tǒng)稱他們?yōu)殚_關(guān)電源變壓器， 即以下所稱的開關(guān)電源變壓器也包括耦合電感。開關(guān)電源變壓器的輸入輸出端口電路是產(chǎn)生電磁噪聲的主要部位，變壓器成了傳導(dǎo)噪聲的重要途徑。[0004]通常在變壓器繞組的繞制中，重點要考慮電感量大小、漏感大小、層間電容三個指標。電感量大小要根據(jù)電源功率大小確定，與本發(fā)明無關(guān)。一般的開關(guān)電源變壓器由高導(dǎo)磁鐵氧體材料構(gòu)成磁路，雖然磁芯磁導(dǎo)率較高，但也是有限的，必定存在漏電感量。在一般的開關(guān)電源中，這一漏電感量是造成噪聲電壓的重要原因之一，設(shè)計者希望漏感小一些。另一方面，變壓器中繞組線圈采用疊繞的方式，線與線之間、繞層與繞層之間、繞組與繞組之間都會形成電容效應(yīng)，從而造成電場耦合，使得噪聲電壓得以傳導(dǎo)。尤其是層間電容的傳導(dǎo)作用更顯著，繞層間電容越小傳導(dǎo)量也越小。但解決繞層間電容問題往往和解決漏感問題成為一對矛盾，總不能便兩者同時減小。[0005]隔離式開關(guān)電源的繞組根據(jù)作用不同分為三類激勵繞組、輸出繞組、輔助電源繞組。這里的輔助電源繞組是指為激勵電路供電的一個繞組，如果是為輸出電路中某些控制電路供電而設(shè)置的繞組在本說明書中都歸為輸出繞組。開關(guān)電源變壓器繞組的最基本繞法有三種一是繞組并列排放法，如附圖2所示，他的漏感最大，繞組之間電容效應(yīng)最小，實際很少采用；二是獨立繞組包裹繞法，如附圖3所示，激勵繞組(又稱原邊繞組)在最內(nèi)層，輔助電源繞組貼近激勵繞組，外面包裹輸出繞組(又稱副邊繞組)，這種繞法相比并列排放法的漏感有所減小，繞組之間電容效應(yīng)有所增大。三是目前比較多的資料特別強調(diào)線圈繞制中減小漏感，采用繞層交叉包裹的方法，如附圖4和附圖5所示，將激勵繞組和輸出繞組分層交叉包裹疊繞，使得他們的漏感盡量小，但很明顯，不同繞組的繞層與繞層貼近面增大， 繞組間的電容使得電場耦合效應(yīng)也增大，噪聲電壓傳導(dǎo)途徑更加寬廣，在減小因漏感所引起的噪聲脈沖的同時，又從另一個方面增大了噪聲電壓輸出的可能性。[0006]變壓器作為產(chǎn)生和傳導(dǎo)噪聲的重要器件，傳統(tǒng)開關(guān)電源變壓器繞法中漏感和耦合電容的矛盾無法諧調(diào)。本發(fā)明從開關(guān)電源變壓器繞組結(jié)構(gòu)入手，在本人以前所提出的開關(guān)電源的電路自適應(yīng)續(xù)流技術(shù)基礎(chǔ)上，改變開關(guān)電源變壓器的繞制結(jié)構(gòu)，切斷開關(guān)電源噪聲電壓在其變壓器中的電場耦合途徑，從而得以降低噪聲電壓的輸出。通過多種降噪手段共同作用，提高開關(guān)電源輸出電壓的純凈度，使其接近線性電源的輸出質(zhì)量。[0007]本發(fā)明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開關(guān)電源，并且需要電路自適應(yīng)續(xù)流技術(shù)配合。在實際制造低電磁噪聲的開關(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，才能達到理想的目的。電源是多數(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，本實用新型所涉及的技術(shù)必定會有一個很好的應(yīng)用前景。發(fā)明內(nèi)容[0008]本發(fā)明是對開關(guān)電源變壓器繞組結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)繞法做調(diào)整，適合于采用耦合電感或變壓器耦合電磁能量的開關(guān)電源。所涉及的開關(guān)電源變壓器繞組采用獨立繞組包裹法，并且其繞制循序是輸出繞組即副邊繞組置于最內(nèi)層，如果有多個輸出繞組，他們在置于內(nèi)層的條件下層次可以隨意放置。激勵繞組置于輸出繞組以外層面，激勵繞組即原邊繞組的激勵端置于該繞組本身的外層，激勵繞組的電源端置于該繞組本身的內(nèi)層，也就是激勵繞組的電源端總是靠近低壓輸出繞組，激勵端總是遠離低壓輸出繞組。為激勵電路供電的輔助電源繞組繞于線包的最外層，兼作外輻射電場的阻擋層，如附圖1所示。繞組的起始端和終止端分配以激勵繞組的激勵端置于該繞組本身的外層為基本依據(jù)，由電路原理要求和布線結(jié)構(gòu)共同確定。[0009]一般開關(guān)電源的噪聲電壓主要產(chǎn)生于激勵管開通和關(guān)閉這兩個瞬間。在激勵管關(guān)閉瞬間，主要是漏電感量和變壓器副邊整流器件上電流躍變產(chǎn)生噪聲電壓，在此稱作關(guān)閉噪聲。漏電感量越大，所產(chǎn)生的噪聲脈沖能量也越大，這也是傳統(tǒng)繞工藝中盡量減少繞漏電感量的原因。如果在開關(guān)電源的電路設(shè)計中采用本人以前提出的電路自適應(yīng)續(xù)流法，激勵管關(guān)閉噪聲已經(jīng)被抑制得很小，而且，在續(xù)流過程中，濾波電感器的電流會拉引變壓器磁芯中的磁力線走向，具有減小漏電感量的作用。因此，漏電感量的存在不再是嚴重問題，在繞組繞制過程中不必刻意地追求減小漏感，為采用獨立繞組包裹繞法提供了可行性。事實證明，就是采用漏感較大的開關(guān)變壓器，仍然可以使得關(guān)閉噪聲電壓幅度很低。[0010]在激勵管開通瞬間，激勵管的導(dǎo)通使得激勵繞組兩端瞬間加上電壓，特別是在交流電網(wǎng)供電的電源中，激勵繞組激勵端的電位躍變量很大，在傳統(tǒng)的繞法中，這一電位躍變置于繞組內(nèi)層，可以通過層間的電容效應(yīng)傳導(dǎo)至外層，也就是傳導(dǎo)至輸出繞組，以共模噪聲出現(xiàn)，直接在電源的輸出端產(chǎn)生強烈的噪聲電壓，而且難以用濾波器濾除，在示波器測量中可以看到幅度很大的尖刺脈沖。同時，這一電位躍變可以在層間電容和繞組電感間產(chǎn)生寄生振蕩，通過變壓器的電磁耦合，以差模噪聲的形式在電源的輸出端出現(xiàn)。如果改用本發(fā)明的繞組繞制方法，輸出繞組置于內(nèi)層，激勵繞組置于外層，并且激勵繞組的激勵端置于外層的外端，繞成內(nèi)外包裹結(jié)構(gòu)，形成了一個電場屏蔽效應(yīng)，貼近輸出繞組的部分是電位基本穩(wěn)定的激勵繞組電源端，如附圖6所示。我們知道，金屬球體表面的電荷產(chǎn)生的電場總是向外輻射，不會在其內(nèi)部產(chǎn)生電場。同樣，環(huán)形導(dǎo)體的電場也是向外輻射，不會在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電場，最外層的電位躍變很難通過層間感應(yīng)往內(nèi)層傳導(dǎo)。實際變壓器中脈沖信號的傳遞存在兩種形式一是通過正常的電感產(chǎn)生磁場，磁場又激勵電感產(chǎn)生電動勢的形式傳遞交變信號，是主要輸送形式；二是通過電場輻射也就是通過空間電場感應(yīng)傳遞脈沖信號，破壞了電感的作用效果。激勵繞組的激勵端外置后，阻止了激勵繞組激勵端電位躍變通過層間電容直接傳導(dǎo)至輸出繞組。每一個繞組兩端的電勢差依然存在，他的作用只是沿導(dǎo)線所建立的電壓形成電流，體現(xiàn)出比較單純的電感特性。當然，變壓器繞組結(jié)構(gòu)還不是完整的屏蔽結(jié)構(gòu)，通過種種途徑仍然有少量的電位傳導(dǎo)存在。相對于傳統(tǒng)變壓器繞法上，這種結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源開通噪聲輸出幅度顯著降低。[0011]電位大幅度變化時在其周圍導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電荷。對于利用市電降壓的隔離式開關(guān)電源，激勵繞組的激勵端容易激勵發(fā)出感應(yīng)電荷。如果按照傳統(tǒng)繞法，激勵繞組置于內(nèi)層，會因為激勵繞組工作在高電壓且電位快速升降狀態(tài)，其中產(chǎn)生的負電荷(或感應(yīng)出來的負電荷)在向外輻射強電場的作用之下脫離自身導(dǎo)體往外傳導(dǎo)至置于外層的輸出繞組上， 在輸出電路導(dǎo)體的某些位置上堆積，從而引起隔離式開關(guān)電源中冷電路(指低壓輸出電路) 與熱電路(與市電相連的電路)之間的隨機靜電放電現(xiàn)象，嚴重時會引起連續(xù)放電現(xiàn)象，產(chǎn)生另一種頻譜更豐富的電磁干擾。如果采用本發(fā)明的輸出繞組置于內(nèi)層、激勵繞組置于外層的結(jié)構(gòu)，還可以防止感應(yīng)電荷在低電壓輸出電路中的堆積，避免靜電荷放電而引發(fā)噪聲電壓。[0012]將激勵繞組的激勵端置于繞組最外部，電位起伏的傳導(dǎo)問題是基本被克服了，但存在激勵端向空間的電場輻射問題。如果在激勵繞組外部再包裹輔助電源繞組，可以在很大程度上吸收這一輻射能量。輔助電源繞組本身一般對干擾不敏感，并且與熱電電路形成共地結(jié)構(gòu)，無論是感應(yīng)靜電荷還是感應(yīng)電壓都可以得到良好吸收，阻擋變壓器向外輻射電場。[0013]本實用新型的線圈必須是包裹疊繞式，適用于各種規(guī)格的降壓型開關(guān)電源變壓器制作。[0014]本實用新型的有益效果是，形成電場屏蔽，阻斷一個重要的電位脈沖傳導(dǎo)途徑，結(jié)合其他噪聲抑制措施，開關(guān)電源輸出的差模噪聲電壓很容易降至4mV以下，再考慮共模噪聲，總體的訊擾電平也可以降得較低。[0015]四.
[0016]圖1是低訊擾開關(guān)電源變壓器繞組在線包骨架上的分層圖，也是本實用新型的變壓器繞層結(jié)構(gòu)示圖。[0017]圖2是繞組并列式變壓器繞組排列圖。斜線部分表示磁芯體。[0018]圖3是傳統(tǒng)開關(guān)電源變壓器分組包裹式繞組分層圖。[0019]圖4是傳統(tǒng)開關(guān)電源變壓器繞組交叉分層方式之一，原邊分段夾副邊。[0020]圖5是傳統(tǒng)開關(guān)電源變壓器繞組交叉分層方式之二，副邊分段夾原邊。[0021]圖6是繞組包裹繞法形成電場屏蔽效應(yīng)的示意圖。箭頭代表導(dǎo)線電場的輻射方向。[0022]圖7是本實用新型應(yīng)用實例的變壓器骨架底部引腳圖。其中1、4、6、8引腳互為同名端，2、3、5、7引腳互為同名端。[0023]圖8是本實用新型中變壓器繞層分配應(yīng)用實例。圖中1、2、3、4是四個繞組，5是線圈骨架，線圈繞在線包骨架上，其中1和2是輸出繞組，置于最內(nèi)層；3是激勵繞組，置于輸出繞組的外層；4是輔助電源繞組，在繞最外層。[0024]圖9是本實用新型應(yīng)用實例中依據(jù)示波器測量得到的電壓曲線繪制的輸出差模噪聲電壓波形圖。橫坐標的時間單位是As，縱坐標的電壓單位是mV。差模噪聲電壓未超過 anV。[0025]圖10是低訊擾開關(guān)電源變壓器雙激勵繞組時在線包骨架上的分層圖。[0026]圖11是環(huán)形變壓器繞組分層圖。中間是磁芯，從內(nèi)到外依次是輸出繞組；絕緣層；激勵繞組；絕緣層；輔助電源繞組。[0027]五.具體實施方式
[0028]本實用新型在實施中，要根據(jù)電路原理要求和線路布局情況，首先確定各繞組的起始端和終止端引線位置、各繞組匝數(shù)，再進行繞制。[0029]下面以一個小功率開關(guān)電源制作為例，根據(jù)電源電路設(shè)計方案，開關(guān)電源變壓器有四個繞組，分別是激勵繞組一個(220匝)、輔助電源繞組一個(13匝)、輸出二個(各17 匝)。按照線路布局中引線端的布置結(jié)構(gòu)，1、2引腳間為激勵繞組，3、4引腳間為輔助繞組，6、 7引腳間為一個輸出繞組，5、8引腳間為另一個輸出繞組。其中1、4、6、8引腳相互間是同名端，2、3、5、7引腳相互間也是同名端，如附圖7所示。以激勵繞組激勵端置于外層為原則，確定第2號引線端置于外層的外端，也就是1端為繞組起始端。這樣，用繞線機進行繞制時， 4、6、8引腳都是各自繞組的起始端。[0030]EE25變壓器骨架的線槽寬度為10mm，如果采用Φ=0. 15mm的漆包線繞制激勵線圈，每層可以約繞陽匝，220匝應(yīng)分為四層；輸出繞組采用Φ=0. 49mm的漆包線，17匝恰好可以繞制一層。先用Φ=0. 49mm漆包線繞制6、7端間繞組，以6端為起始端。該層繞畢后外面包裹一層PET絕緣高溫膠帶；再用Φ=0. 49mm漆包線繞制5、8端間繞組，以8端為起始端， 繞畢后外面包裹一層PET絕緣高溫膠帶，再加A級電工絕緣紙隔離；隔離層外用Φ=0. 15mm 漆包線繞制1、2端間繞組(激勵線圈)，以1端為起始端，每一繞層間都包裹一層PET絕緣高溫膠帶，以增加層間的耐壓能力。該繞組完成繞制后，外面再加二層以上專用絕緣高溫膠帶；最后繞制輔助電源繞組置于最外層，以4端為起始端。這樣將輔助電源繞組置于最外層，還能在一定程度上阻擋激勵繞組激勵端電位起伏所造成的輻射。每一個繞組端頭都焊接于骨架相應(yīng)的引腳上。參見附圖8。[0031]變壓器各繞層間絕緣材料視耐壓需要而添加，對于激勵繞組的繞層不多的變壓器，一般在激勵繞組每一層間都要添加絕緣高溫膠帶。對于隔離式開關(guān)電源，為了保證其使用安全性，在激勵繞組與輸出繞組之間還應(yīng)該添加電工絕緣紙，加強熱電路與冷電路之間的隔離能力。[0032]本實用新型最好是配合電路自適應(yīng)續(xù)流法開關(guān)電源電路，降噪效果會更加有效。 同時，還得配合其他降噪聲措施，如連接共地電容、在變壓器外部加短路環(huán)并且接地等，使得他的噪聲抑制能力最有效地體現(xiàn)出來。在本應(yīng)用實例中，當開關(guān)電源在8. 5V/175mA輸出時，其輸出差模噪聲電壓已經(jīng)降至約2mVPP，參見附圖9。[0033]當開關(guān)電源有多個激勵繞組時，如推挽式開關(guān)電源有兩個激勵繞組，有兩個激勵端需要外置，可以將兩個激勵繞組并列包裹于輸出繞組外層，如附圖10所示。并且都以電源端為繞制起始端，繞制方向互為相反，繞制過程會復(fù)雜一些，要由適當工藝來完成制作。[0034]通常在變壓器外包裹一層銅箔制作的短路環(huán)，來抑制變壓器的磁場散射。對于三相供電或者是單相三線供電的開關(guān)電源，可以將短路環(huán)直接連接至保護接地線上；對于單相兩線供電的開關(guān)電源，可以將短路環(huán)通過一個IOOkQ以上高阻值電阻器接至熱電路的負極上(一般負極作為熱電路的地線)，不僅可以抑制變壓器的磁場散射，還可以消除靜電荷的堆積，防止靜電放電現(xiàn)象的出現(xiàn)。這里的單相兩線供電的開關(guān)電源中沒有將短路環(huán)直接連接至熱電的地線(一般為負極)，主要是從人身安全考慮，萬一人體觸碰到變壓器短路環(huán)，有電阻限流也不至于造成觸電事故。如果將變壓器外短路環(huán)接至冷電路的地線上，雖然安全，但不會起到消除靜電荷堆積的作用，不宜采用。[0035]對于環(huán)形變壓器同樣可以以采用本的發(fā)明的結(jié)構(gòu)，輸出繞組繞于內(nèi)層，激勵繞組繞于輸出繞組之外，激勵端置于外層，輔助電源繞組繞于最外層，如附圖11所示。繞制時要求每一個繞組沿圓環(huán)均勻布線，以便盡可能減小漏磁。
權(quán)利要求1.一種低訊擾開關(guān)電源變壓器繞組結(jié)構(gòu)，從裝置結(jié)構(gòu)上看具有以下特征變壓器或耦合電感器繞組采用獨立繞組包裹繞法，其輸出繞組即副邊繞組置于最內(nèi)層，如果有多個輸出繞組，他們在置于內(nèi)層的條件下層次可以隨意放置；激勵繞組即原邊繞組置于輸出繞組以外層面，激勵繞組的激勵端置于該繞組本身的外層，激勵繞組的電源端置于該繞組本身的內(nèi)層；輔助電源繞組置于最外層；繞組的起始端和終止端分配以激勵繞組的激勵端置于該繞組本身的外層為基本依據(jù)，由電路布線結(jié)構(gòu)確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低訊擾開關(guān)電源變壓器繞組結(jié)構(gòu)，其激勵繞組的電源端總是靠近低壓輸出繞組，激勵端總是遠離低壓輸出繞組。
專利摘要本實用新型低訊擾開關(guān)電源變壓器繞組結(jié)構(gòu)以降低開關(guān)電源的電磁噪聲為目標，從開關(guān)電源的磁耦合器件的繞組結(jié)構(gòu)上進行安排，將通常原邊置內(nèi)、副邊置外的變壓器傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改為副邊或輸出繞組置內(nèi)、原邊或激勵繞組置外，輔助繞組置于最外層，采用同軸包裹式繞制的變壓器結(jié)構(gòu)，再外加屏蔽層阻擋空間電磁輻射，利用線圈包裹后所形成的電場屏蔽效應(yīng)，抑制電磁脈沖噪聲的傳輸。本實用新型適用于各類隔離式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計制作，特別是降壓型的隔離式開關(guān)電源，綜合應(yīng)用各種降噪技術(shù)后，既可以消除靜電荷放電現(xiàn)象，還可以使輸出口差模噪聲電壓控制在較低的幅值。
文檔編號H01F27/28GK202307455SQ20112016583
公開日2012年7月4日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者陳庭勛 申請人:浙江海洋學院, 陳庭勛