用于在隔離的dc到dc開關電源中使用的隔離變壓器的制造方法
【專利摘要】一種隔離的DC到DC開關電源包括隔離變壓器，其具有磁芯、環繞磁芯的第一繞組、環繞磁芯的第一繞組屏蔽、第一繞組屏蔽內的第二繞組屏蔽以及第二繞組屏蔽內的第二繞組。由于第二繞阻被圍繞在第二繞組屏蔽內，且第二繞組屏蔽被圍繞在第一繞組屏蔽內，因此在第一繞組和第二繞組之間不存在直接耦合。
【專利說明】用于在隔離的DC到DC開關電源中使用的隔離變壓器
【技術領域】
[0001]本公開涉及通過使用具有低漏電感和低隔離電容的隔離變壓器來降低隔離的DC到DC開關電源中的噪聲而增強隔離的DC到DC開關電源。
【背景技術】
[0002]開關電源因生成電噪聲而聲名狼藉。然而，隔離的開關電源經由穿過隔離的開關電源的隔離勢魚(isolat1n barrier)的位移電流而添加了電噪聲。通常，隔離變壓器被用于提供開關電源的輸入和輸出之間的隔離勢壘。然而，隔離變壓器的設計可能極大地影響開關電源內電噪聲的水平。
[0003]大部分隔離的開關DC到DC電源使用隔離變壓器，其包含初級繞組和次級繞組之間的靜電繞組屏蔽(winding-shielding)。這些變壓器的目的在于使初級繞組的電壓擺動(voltage swing)僅耦合到初級繞組屏蔽并且次級繞組的電壓擺動僅耦合到次級繞組屏蔽；然而當前在使用的變壓器仍然跨隔離勢壘而產生大量電噪聲。初級繞組和次級繞組的分離導致變壓器中的高漏電感。高漏電感經常增加開關電源的電噪聲。
[0004]低漏電感變壓器構造方法是使用雙線繞組(bifilar winding)技術來纏繞變壓器，其中兩條電線同時緊接于彼此地相纏繞。由于線對(wire pair)重復地纏繞在磁芯周圍，線對的每一匝耦合于其它匝，其然后放置在先前的匝上。這種附加的耦合改變漏電感和隔離電容。繞組過程中的小改變能夠引起對這些耦合的改變。因而，靜電耦合不是很好的受控，從而引起穿過隔離勢壘的位移電流。
[0005]因此，仍然存在對于改進的隔離變壓器的需要。在理想變壓器中，初級和次級繞組之間的靜電耦合僅在初級和次級繞組屏蔽之間。兩個繞組屏蔽電壓擺動是相同的，并因而在其之間不存在位移電流。初級繞組的電壓擺動僅耦合到初級繞組屏蔽，并且次級繞組的電壓擺動僅耦合到次級繞組屏蔽。同樣在理想變壓器中，漏電感應當保持如雙線纏繞的初級/次級變壓器中那樣低。
【發明內容】
[0006]公開的技術的某些實施例包括用于隔離的開關DC到DC電源的隔離變壓器，其中初級和次級繞組之間的靜電耦合僅發生在初級繞組繞組屏蔽和次級繞組繞組屏蔽之間。
[0007]某些實施例包括隔離的DC到DC開關電源，其包括隔離功率變壓器，所述隔離功率變壓器具有磁芯、環繞磁芯的第一繞組、環繞磁芯的第一繞組屏蔽、第一繞組屏蔽內的第二繞組屏蔽，以及第二繞組屏蔽內的第二繞組。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1圖示根據公開的技術的某些實施例的隔離變壓器。
[0009]圖2是圖1中示出的隔離變壓器的電纜和外部電線的橫截面視圖。
[0010]圖3圖示根據公開的技術的其它實施例的隔離變壓器。
[0011]圖4是圖3中示出的隔離變壓器的電纜和外部電線的橫截面視圖。
[0012]圖5圖示根據公開的技術的某些實施例的隔離變壓器。
[0013]圖6是圖5中示出的隔離變壓器的電纜的橫截面視圖。
[0014]圖7圖示根據公開的技術的其它實施例的隔離變壓器。
[0015]圖8圖示根據公開的技術的某些實施例的隔離變壓器的電路圖。
[0016]圖9圖示根據圖8中示出的實施例的隔離變壓器。
【具體實施方式】
[0017]在不一定按比例的附圖中，公開的系統和方法的同樣或對應的元素由相同的參考數字來標示。
[0018]為了降低隔離的開關DC到DC電源中的噪聲，公開的隔離變壓器降低跨電源的隔離勢壘的噪聲。在公開的變壓器中，初級繞組和次級繞組之間的耦合僅在第一繞組屏蔽和第二繞組屏蔽之間。也就是說，初級繞組和次級繞組完全與彼此隔離。
[0019]圖1是隔離變壓器100的示例，其具有由絕緣層104所覆蓋的卷繞在磁芯106周圍的兩個第一電線102，充當第一繞組。隔離變壓器100還包括卷繞在磁芯106周圍的雙屏蔽電纜。最先兩個電線在雙屏蔽電纜外部。雙屏蔽電纜包括外部絕緣層108。外部絕緣層108圍繞外靜電繞組屏蔽110、第一絕緣層112、內靜電繞組屏蔽114、兩個第二絕緣層116、以及兩個第二電線118。“靜電繞組屏蔽”貫穿說明書也將被稱為“繞組屏蔽”。兩個第二電線118各自覆蓋有第二絕緣層116。兩個第二電線118和第二絕緣層116位于內繞組屏蔽114內部，其位于外繞組屏蔽110內部。第一電線102、第二電線118、外繞組屏蔽110和內繞組屏蔽114中的每一個在焊接點120處被焊接到電路板。在雙屏蔽電纜中，內繞組屏蔽114和外繞組屏蔽110由銅編織套(braided sheath)構成。
[0020]在圖2中示出雙屏蔽電纜的層連同雙屏蔽電纜外部的第一電線102的橫截面。第一電線102和第二電線118 二者都可以是變壓器的初級或次級繞組，如本領域普通技術人員將容易理解的。為了易于討論，第二電線118將一起被稱為初級繞組，并且第一電線102將一起被稱為次級繞組。在該布置中，內繞組屏蔽114充當初級繞組屏蔽，并且外繞組屏蔽110充當次級繞組屏蔽。由于初級繞組完全被包在初級繞組屏蔽內，并且初級繞組屏蔽完全被包在次級繞組屏蔽中，因此在初級繞組和次級繞組之間不存在直接耦合。因此，初級繞組的電壓擺動僅耦合到初級繞組屏蔽，并且次級繞組的電壓擺動僅耦合到次級繞組屏蔽。兩個繞組屏蔽之間的電容不被充電或放電。因此，不存在從初級繞組屏蔽到次級繞組屏蔽的電荷流。
[0021]在圖1中示出的該實施例中，第一電線102和第二電線118 二者的變壓器的中心繞組具有與外繞組屏蔽I1和內繞組屏蔽114相同的電壓。由于該特征，外繞組屏蔽110或次級繞組屏蔽能夠被用作變壓器的次級繞組的中心匝，并且內繞組屏蔽114或初級繞組屏蔽能夠被用作變壓器的初級繞組的中心匝。
[0022]該實施例包括同軸電纜，而不是雙屏蔽電纜。如果使用同軸電纜，則第一電線102將會仍然在同軸電纜外部。可能合期望的是，使用單個第一電線102或在圖1中示出的兩個第一電線的更多的電線。同軸電纜包括中心導體、內絕緣層、外導體和外絕緣層。在同軸電纜內，中心導體將會作為第二繞組屏蔽和第二繞組這兩者來起作用。外導體將會作為第一繞組屏蔽來起作用。
[0023]圖3示出與圖1的實施例類似的實施例。然而，在該示例中，在隔離變壓器200中使用三個第一電線102，連同三個第二電線118。三個第一電線102中的每一個以及三個第二電線118中的每一個分別具有其自己的絕緣層104和116。該實施例的其余部分與上文關于圖1所討論的實施例相同。該實施例的雙屏蔽電纜連同三個外部第一電線的橫截面在圖4中示出。在該實施例中，為了易于討論，三個第二電線118再次包括初級繞組，并且三個第一電線102包括次級繞組。初級繞組的每一匝是第二電線118。因此，初級繞組的三匝(三個第二電線118)完全被圍繞在內繞組屏蔽114 (也被稱為初級繞組屏蔽)和外繞組屏蔽110 (也被稱為次級繞組屏蔽)內。
[0024]圖3中的變壓器的配置提供了在初級繞組和次級繞組之間的耦合僅發生在初級繞組屏蔽和次級繞組屏蔽之間。再次，在初級和次級繞組之間不存在直接耦合，并且初級繞組的電壓擺動僅耦合于初級繞組屏蔽，并且次級繞組的電壓擺動僅耦合于次級繞組屏蔽。
[0025]在圖5中示出另一實施例。在該實施例中，使用單個三同軸電纜環繞磁芯106來構建隔離變壓器300。三同軸電纜纏繞在磁芯106周圍單次。隔離變壓器300具有兩個隔離的次級繞組。三同軸電纜包括導體202、編織套204和另一編織套206。該配置可以在圖6中的三同軸電纜的橫截面中看見。此外，如圖5中所示，這些層中的每一個在其之間包括絕緣層208和212，其中最終絕緣層210在外部。三同軸電纜的每個導體(包括導體202)以及編織套204和206可以是繞組屏蔽和變壓器的獨立繞組。因此，隔離變壓器300例如能夠具有初級繞組(導體202)和兩個次級繞組(編織套204和206，本文分別被稱為第一次級繞組和第二次級繞組)。在該實施例中沒有電線在三同軸電纜外部。然而，兩個編織套204和206仍然也分別充當初級和次級繞組屏蔽。如本領域普通技術人員將容易理解的，導體202可以是次級繞組，并且兩個編織套204和206可以是兩個初級繞組。
[0026]導體202的初級繞組和編織套206的次級繞組二者由于編織套204而是獨立的。第二次級繞組、編織套206沒有到初級繞組、導體202的直接耦合。再次，在該實施例中，在編織套204和導體206之間將存在電容。然而，該電容不被充電或放電。
[0027]在對該實施例的可替換方案中(未示出)，外部電線可以被提供在三同軸電纜外部，從而為初級繞組提供更多匝，與圖1和3中示出的類似。初級繞組的這些外部電線由于編織套206仍將從導體202屏蔽。
[0028]在對該實施例的另一可替換方案中，同軸電纜可以被使用，代替三同軸電纜。在該配置中，同軸電纜的內導體將會充當第二繞組屏蔽和第二繞組這兩者。外導體將會充當第一繞組屏蔽和第一繞組這兩者。
[0029]在另一實施例中，圖5中示出的三同軸電纜可以纏繞在磁芯106周圍兩次，如圖7中所示。因此，每個初級繞組和兩個次級繞組在隔離變壓器400中具有兩匝。如能在圖7中所見，在三個點處的編織套206周圍移除絕緣層210。編織套206充當初級繞組，并且在這三個點處被焊接到焊接點120。最終，如圖5中，第一次級繞組(編織套204)和第二次級繞組(導體202)也在焊接點120處被焊接到電路板。
[0030]在圖8和9中示出的另一實施例中，示出使用并行纏繞在磁芯周圍的兩個三同軸電纜的隔離變壓器。一個三同軸電纜被放置在電路板頂部，并且另一個三同軸電纜被放置在電路板底部。為了容易，三同軸電纜被稱為頂部電纜和底部電纜。兩個電纜纏繞在磁芯106周圍。此外，四個電線被提供在三同軸電纜外部。兩個電線302 (本文中被稱為頂部電線)被提供在電路板頂部，并且兩個電線304 (本文中被稱為底部電線)被提供在電路板底部。在圖8中示出對于此類配置的電路圖。在圖9中示出在電路板頂側的隔離變壓器500。在電路板底側的隔離變壓器將會包含與圖9中所示出的相同的配置。
[0031]如能在圖8的電路圖中所見，初級繞組由四匝構成，包括底部導體306、頂部內繞組屏蔽308、底部內繞組屏蔽310和頂部導體312。次級繞組包括六匝，包括第二頂部電線302、第一頂部電線302、頂部外繞組屏蔽314、底部外繞組屏蔽316、第一底部電線304和第二底部電線304。初級繞組的底部導體306和頂部導體312各自連接到MOSFET開關318。頂部內繞組屏蔽308和底部內繞組屏蔽310 二者都連接到初級地(接地(earth ground))320。在次級繞組中，頂部外繞組屏蔽314和底部外繞組屏蔽316連接到次級浮動地322。在圖9中示出這些部件中的每一個。此外，示出焊接點120和絕緣層324。在該配置中，內繞組屏蔽308和310以及外繞組屏蔽314和316充當繞組屏蔽和繞組的匝二者，如上文關于圖4討論的。
[0032]在對該實施例的可替換方案中，多于兩個的變壓器能夠并行纏繞在磁芯106周圍。此外，在對該實施例的另一個可替換方案中，同軸電纜可以被使用，代替三同軸電纜。
[0033]上文在各種實施例中描述的隔離變壓器中的每一個(其中初級繞組和次級繞組不具有直接耦合)已經提供了比先前使用的隔離變壓器更低的跨隔離勢壘的噪聲大小。
[0034]在這些實施例中的每一個中，磁芯106可以是例如鐵氧體(ferrite)。然而，可以使用本領域已知的任何類型的磁芯。此外，三同軸電纜和雙屏蔽電纜的編織套應當是最高質量的。如果編織套不是最高質量的，則初級繞組和次級繞組可能能夠通過繞組屏蔽而直接耦合并提供電噪聲。編織套的質量越好，通過隔離變壓器所提供的電噪聲越小。
[0035]已經在其優選實施例中描述并圖示了公開的技術的原理，應當顯而易見的是，在不脫離此類原理的情況下可以在布置和細節上修改所公開的技術。我們要求保護在下述權利要求的精神和范圍內的所有修改和變型。
【權利要求】
1.一種隔離的DC到DC開關電源，包括: 隔離功率變壓器，其包括: 磁芯； 環繞磁芯的第一繞組； 環繞磁芯的第一繞組屏蔽； 第一繞組屏蔽內的第二繞組屏蔽；以及 第二繞組屏蔽內的第二繞組。
2.根據權利要求1所述的隔離的DC到DC開關電源，其中所述隔離功率變壓器此外包括雙屏蔽電纜，其包括作為雙屏蔽電纜的外導體的第一繞組屏蔽、作為雙屏蔽電纜的內導體的第二繞組屏蔽、以及作為雙屏蔽電纜的中心導體的第二繞組，并且所述第一繞組是在雙繞組屏蔽電纜外部的電線。
3.根據權利要求1所述的隔離的DC到DC開關電源，其中所述第一繞組屏蔽是第一繞組的一部分以及第一繞組屏蔽。
4.根據權利要求2所述的隔離的DC到DC開關電源，其中所述第一繞組屏蔽是第一繞組的一部分以及第一繞組屏蔽。
5.根據權利要求1所述的隔離的DC到DC開關電源，其中所述第一繞組屏蔽是第一繞組的全部以及第一繞組屏蔽。
6.根據權利要求2所述的隔離的DC到DC開關電源，其中所述第一繞組屏蔽是第一繞組的全部以及第一繞組屏蔽。
7.根據權利要求1所述的隔離的DC到DC開關電源，其中所述第二繞組屏蔽是第二繞組的部分以及第二繞組屏蔽。
8.根據權利要求2所述的隔離的DC到DC開關電源，其中所述第二繞組屏蔽是第二繞組的部分以及第二繞組屏蔽。
9.根據權利要求1所述的隔離的DC到DC開關電源，其中所述第二繞組屏蔽是第二繞組的全部以及第二繞組屏蔽。
10.根據權利要求2所述的隔離的DC到DC開關電源，其中所述第二繞組屏蔽是第二繞組的全部以及第二繞組屏蔽。
11.根據權利要求1所述的隔離的DC到DC開關電源，其中所述隔離功率變壓器此外包括同軸電纜，其包括作為同軸電纜的外導體的第一繞組屏蔽，并且中心導體是第二繞組屏蔽以及第二繞組，所述第一繞組是在同軸電纜外部的電線。
12.根據權利要求1所述的隔離的DC到DC開關電源，其中所述隔離功率變壓器此外包括同軸電纜，其中所述同軸電纜的外導體是第一繞組以及第一繞組屏蔽，并且中心導體是第二繞組屏蔽以及第二繞組。
13.根據權利要求2所述的隔離的DC到DC開關電源，其中多個雙屏蔽電纜并行纏繞通過磁芯并連接在一起以創建第一繞組屏蔽、第二繞組屏蔽和第二繞組。
14.根據權利要求11所述的隔離的DC到DC開關電源，其中多個同軸電纜并行纏繞通過磁芯并連接在一起以創建第一繞組屏蔽、第二繞組屏蔽和第二繞組。
【文檔編號】H01F27/28GK104183374SQ201410220687
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年5月23日 優先權日:2013年5月24日
【發明者】W.C.格克, J.C.吉邦斯 申請人:基思利儀器公司