共模电感装置和方法
【专利摘要】本发明涉及一个集成共模电感实施例，由一个磁芯，磁板，第一线圈和第二线圈组成。磁板安装在磁芯内环。第一线圈和第二线圈以同一个方向缠绕于磁芯。该集成共模电感相当于串联在一起的共模电感和差模电感。通过改变磁板和磁芯的间距或者磁板厚度，都可以改变差模电感的电感值。
【专利说明】共模电感装置和方法
[0001]相关申请案交叉申请
[0002]本申请要求2011年8月25日提交的名为“共模电感和相关方法(Common modechoke Apparatus and Method)”第13/218，043号的美国临时专利申请的优先权,该申请的内容以引用的方式并入本文本中。
【技术领域】
[0003]本发明涉及电源转换器中使用的共模电感和相关方法。更具体地说，是一个由共模电感和差模电感组成的集成共模电感装置及方法。
【背景技术】
[0004]一个通信网络电源系统通常包括两个工作阶段，将交流市电转换到48V直流配电总线的交流转直流阶段，和将48V直流配电转换成可以给各种通信负载供电的多种电压水平的直流转直流的阶段。传统意义上的交流转直流阶段通常包括各种电磁干扰滤波器，一个由四个二极管组成的桥式整流器，一个功率因数修正电路，和一个直流转直流(dc/dc)隔离电源转换器。直流转直流阶段通常会包括多个dc/dc隔离转换器。隔离的直流与直流转换可以通过不同的电源拓扑来完成，比如，LLC谐振转换器，反激转换器，正激转换器，半桥转换器，全桥转换器，等等。
[0005]在一个通信网络电源系统中，隔离的直流与直流转换可能产生共模噪声和差模噪声。更具体地说，一个dc/dc隔离转换器至少包括一个原边开关来进行直流斩波以生成一个穿越变压器原边的交流电压。为达到一个紧凑的效果，dc/dc隔离转换器会以一个高开关频率(如IMHz)工作。这样的高开关频率会导致一个横跨原边的又高又快的电压振幅。此夕卜，变压的原副边之间可能耦合了多个寄生电容。由于变压器的寄生电容为高频率电压摆幅带来的共模电流提供了一条低电阻通路，因此高频率电压摆幅和寄生电容一起将会导致dc/dc隔离转换器产生共模噪声。另一方面，dc/dc隔离转换器的开关波纹可能生成差模噪声。该差模噪声有和dc/dc隔离转换器开关频率一样的主要噪声分量，还有其他不同频率的噪声分量。
[0006]各种各样的国际标准被引入来控制因共模噪声和差模噪声产生的电磁干扰污染。t匕如，电磁干扰(Electro-Magnetic Interference)标准EN55022等级B适用于dc/dc隔离转换器。根据传统技术，电磁干扰滤波器包括一个共模电感差模电感，多个共模旁路电容，和多个差模旁路电容。电磁干扰滤波器可以有效减弱共模噪声和差模噪声以确保通信网络电源系统能够满足EMI标准EN55022等级B的要求。
【发明内容】
[0007]本发明的优选实施例提供了 一个集成共模电感，降低共模噪声和差模噪声，有效解决或者规避了上述种种问题，取得了技术优势。
[0008]根据实施例，本发明包括一个由一个磁芯，一个插于磁芯内圆周的磁板，一个绕在磁芯的第一线圈和第二线圈组成的装置。
[0009]根据另一项实施例，本发明包括一个由一个第一差模旁路电容，一个第二差模旁路电容，和一个集成共模电感组成的系统。该集成共模电感耦合于第一差模旁路电容和第二差模旁路电容之间。
[0010]该装置包括一个磁芯,一个插于磁芯内圆周的磁板，一个绕在磁芯的第一线圈和
第二线圈。
[0011]该系统还包括了一个第一共模旁路电容和一个第二共模旁路电容。第一共模旁路电容和第二共模旁路电容串联在一起。
[0012]根据另一实施例，本发明包括以下方法:将一个磁板插于环形磁芯的内圆周，在磁板的左侧缠绕一个第一线圈，在磁板的左侧缠绕一个第二线圈。这两个线圈以相同的方向缠绕于这个环形磁芯。
[0013]本发明实施例的优势在于用一个集成共模电感能同时减少共模噪声和差模噪声。
[0014]上述关于本发明的整体特点和技术优势是为了更好理解接下来的关于本发明的具体介绍。下文将会介绍关于本发明更多的特点和优势，也是本发明的权利要求的主题内容。本领域的技术人员应该了解此处披露的概念和具体实施例可能已作为其他修改和设计的基础来实现本发明能达到的目的。本领域技术人员必须认识到基于本发明的修改和设计将可以理解为包括在由所附权利要求中所定义的本发明的精神和范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]为了更深入地理解本发明，现在参考以下结合附图和详细描述进行的简要描述:
[0016]图1是一个实施例中电磁干扰滤波器的原理图。
[0017]图2是一个单磁芯上的集成共模电感的示意图。该单磁芯可以过滤共模噪声和差模噪声。
[0018]图3是一个实施例中集成共模电感的等效电路图。
[0019]图4是分别传导共模磁通和差模磁通的磁路示意图。
[0020]图5是通过调整磁板位置来调整集成共模电感的差动电感的原理图。
[0021]图6是图2中集成共模电感的等效电路图。
[0022]除非特别说明，不同图中的相同数字和符号对应相同部分的内容。图例是为了更好展示各个实施例中的相关方面，不一定是为了测量的目的。
[0023]具体实施方法
[0024]下文详细阐述本优选实施例的制作和应用过程。应该理解的是，本发明中很多原创性概念可以广泛地应用于其他具体的环境。本文中涉及的实施例只是其中一个例子来说明本发明的制作和应用，而本发明的范围不限于此。
[0025]该优选案例描述的是在具体环境中的本发明的应用，即一个用于dc/dc隔离转换器的集成共模电感。当然，本发明还可以应用于很多其他类型的电源转换器，包括隔离转换器类型的正激转换器和非隔离转换器的降压转换器。此外，本发明还可以应用于多种功率因数修正电路。
[0026]图1是一实施例中电磁干扰滤波器的原理图。该电磁干扰滤波器包括了一个集成共模电感100和四个旁路电容。如图1所示，电磁干扰滤波器耦合于噪声源102和主电源(图中没体现)输入线之间。噪声源102代表的是由开关电源转换器(图中没体现)产生的共模噪声和差模噪声。该电磁干扰滤波器还可以应用于各种隔离电源转换器，包括LLC谐振转换器，半桥转换器，全桥转换器，反激转换器，正激转换器，推挽式转换器，等等。此外，该电磁干扰滤波器也可以应用于各种非隔离电源转换器，包括降压转换器，升压转化器，升降压转换器，等等。
[0027]该集成共模电感100包括一个共模电感LCM和两个差动电感LDMl和LDM2。当一个差模电流，如开关电源转换器的正常工作电流，经过共模电感LCM，差模电流和共模电感上LCM的两个线圈相抵消。因此，共模电感的磁芯不产生净磁场。由此，共模电感LCM将不对差模电流产生影响。相反地，当一个共模噪声电流经过共模电感LCM，共模噪声电流使共模电感LCM磁化。因此，共模电感LCM产生对共模噪声电流的高阻抗来阻止共模噪声电流对主电源(图中没体现)的污染。
[0028]两个共模旁路电容CCM串联并耦合于噪声源102的两个输出之间。两个共模旁路电容CCM的联合节点与地耦合。根据实施例，该共模旁路电容CCM电容值为2200pF。一个第一差模旁路电容CDMl稱合与噪声源102输出之间且与共模旁路电容CCM并联。根据实施例，该第一差模旁路电容CDMl电容值为100pF。如图1所不,第一差模电容CDMl和第一共模旁路电容CCM都位于噪声源102和集成共模电感100之间。
[0029]第二差模旁路电容CDM2位于集成共模电感100的另一边。该第二差模旁路电容CDM2耦合于主电源的输入线之间。根据实施例，该第二差模旁路电容CDM2电容值为100pF。该集成共模电感100的一个优势是将一个共模电感和一个差模电感集合在一个磁芯，减少了图1所示使用电磁干扰滤波器的成本和物理尺寸。
[0030]图2是一个单磁芯上的集成共模电感的示意图。该单磁芯可以过滤共模噪声和差模噪声。该集成共模电感100包括缠绕于环形磁芯208的线圈204和206,还有一个插于线圈204和206之间的磁板。如图2所示，第一线圈204绕在磁板202的左边，同样地，第二线圈206绕在磁板202的右边。磁板202的尺寸和磁芯208的尺寸成正比。比如，在大功率应用中，会根据磁芯通量密度来选择一个大的环形磁芯。因此，磁板202的长度会因环形磁芯208的内径的变大而增长。
[0031]根据实施例，磁芯202是由铁氧体等做成。特别地，当该集成共模电感100应用于高频率场景时，铁氧体做的磁板202能减少电能流失。另一方面，根据另一个实施例，磁板202也可用铁粉或其他金属粉制作而成。低频率场景更多地使用铁粉制作的磁板，因为铁粉制作的磁板202比铁氧体制作的同样规格的磁板202能产生一个更高的饱和通量密度。应该注意的是，相比传统的绝缘隔离板，如塑料板和橡皮板，磁性材料的磁板202有更高的导磁率。此外，磁性材料更有助于提高集成共模电感100的漏电感，因此可以不用专门设置一个差模电感。事实上，集成共模电感100的等效电路图中，共模电感和差模电感是串联的。下文详细介绍的是图3与图4的等效电路图。
[0032]图3是一个实施例中集成共模电感的等效电路图。如图3所示，等效电路图302包括共模电感Lm和两个差模电感器Llkl和Llk2。结合上述关于图2的描述，集成共模电感100 (如图1所示)中无需设置专门的差动电感器。当集成共模电感100的漏电感上升到一定程度时，可以过滤噪声源102的差模噪声。
[0033]图4是一个传导共模磁通和差模磁通的磁路示意图。磁路402中，由第一线圈204和第二线圈206生成的共模磁通和磁板202抵消。因此，磁板202不影响共模电感Lm (图3所示)的电感值。另一方面，当差模电流经过集成共模电感100时，磁路404中表明由第一线圈204和第二线圈206产生的流量会在磁板202集中。因此，磁板202可以起到差模电感的作用，阻止了差模电流穿过集成共模电感100。这里的技术优势体现在磁板202在过滤差模噪声的同时不会对共模电感Lm产生影响。
[0034]图5是通过调整磁板位置来调整集成共模电感的差动电感的原理图。如图5所示，磁板202和磁芯208之间可能存在两个间隔。具体地说，第一间隔位于磁板202底边和磁芯208的内环，同样地，第二间隔位于磁板202顶边和磁芯的内环。通过改变磁板的规格，例如使用更小的磁板，来扩大两个间隔，可以减少集成共模电感的差动电感。此外，通过调整磁板202，第一间隔或者第二间隔能相应地增加或者减少。因此，集成共模电感100的差动电感(图中没有体现)也会相应发生变化。
[0035]图6是图2中集成共模电感的等效电路图。第一线圈204产生第一磁动势Nlil。类似地，第二线圈206产生第二磁动势N2i2。根据磁芯208的磁性特征(如图2所示)模拟第一磁阻Rl和第二磁阻R2。根据磁板202的磁性特征(如图2所示)模拟第三磁阻R3。根据实施例，采用和欧姆定律相似的磁路理论，集成共模电感100的差动电感定义如下:[。。36]
[0037]其中，NI代表第一线圈204的圈数。上述等式表明集成共模电感的差动电感与第三磁阻R3几乎成反比。也就是说，通过调整磁阻R3，可以相应地调整差动电感。根据上述图5的说明，通过改变磁板202和环形磁芯208内环之间的间隔可以调整集成共模电感100的差动电感。另外，根据另一实施例，通过增加磁板202的厚度可以降低第三磁阻R3。因此，集成共模电感100的差动电感也会相应增加。
[0038]尽管本申请详尽地描述了本发明的实施例和技术优势，应该注意的是，各种修改，替代，和变更都可以理解为在附加权利里所定义的本发明的精神和范围内。
[0039]此外，本发明并不局限于本申请中实施例所体现的过程，设备，生产,物质组成,手段，方法和步骤。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、生产，物质组成，手段、方法或者步骤。相应地，本附加权利也将这些对应的过程，设备，生产，物质组成，手段，方法和步骤纳入权利范围内。
【权利要求】
1.一种装置包括: 一个磁芯； 一个安装在磁芯内圆周的磁板； 一个绕在磁芯的第一线圈；和 和一个绕在磁芯的第二线圈。
2.如权利要求1所述的装置，其中该磁芯是一个环形磁芯。
3.如权利要求2所述的装置，该第一线圈和该第二线圈以相同的方向缠绕于该环形磁
4.如权利要求1所述的装置，该第一线圈位于该磁板的第一边。
5.如权利要求4所述的装置，该第二线圈位于该磁板的第一边对面的第二边。
6.如权利要求1所述的装置，该磁板是由铁氧体构成。
7.如权利要求1所述的装置，该磁板是由铁粉构成。
8.权利要求1所述的装置还包括以下: 磁板顶边和磁芯内环间的第一间距；和 磁板底边和磁芯内环间的第二间距。
9.一种系统包括:` 一个第一差模旁路电容； 一个第二差模旁路电容； 一个磁芯； 一个安装在磁芯内圆周的磁板； 一个绕在磁芯的第一线圈； 一个缠绕着在磁芯的第二线圈，该磁芯，该磁板，该第一线圈，该第二线圈，组成了一个耦合于该第一差模旁路电容和该第二差模旁路电容之间的集成共模电感； 一个第一共模旁路电容和该第一差模旁路电容耦合；和 一个第二共模旁路电容和该第一差模旁路电容耦合，其中该第一共模旁路电容和该第二共模旁路电容串联。
10.如权利要求9所述的系统，该第一共模旁路电容和该第二共模旁路电容的联合节点接地。
11.如权利要求9所述的系统，该磁板是由铁氧体构成。
12.如权利要求9所述的系统，该磁板是由铁粉构成。
13.如权利要求9所述的系统,该第一差模旁路电容与一条共模噪声滤波路径形成并联，该共模噪声滤波路径由该第一共模旁路电容和该第二共模旁路电容串联形成。
14.如权利要求13所述的系统，该共模噪声路径与噪声源的两个输入端子耦合。
15.如权利要求9所述的系统，该集成共模电感由以下部分组成: 一个共模电感；和 一个由第一差动电感器和第二差动电感器组成的差模电感。该共模电感和该差模电感串联于此。
16.—种方法包括: 将一个磁板插于环形磁芯的内圆周；将第一线圈缠绕于磁板的第一边；和 将第二线圈缠绕于磁板第一边对面的第二边，于此该第一线圈和该第二线圈以同一个方向缠绕于该环形磁芯。
17.权利要求16所述的方法还包括以下: 形成一个磁板顶边和磁芯内环间的第一间距； 形成一个磁板底边和磁芯内环间的第二间距；
18.权利要求17所述的方法还包括以下: 调整该磁板和该环形磁芯的位置； 调整该磁板顶边和该磁芯内环间的第一间距； 调整该磁板底边和该磁芯内环间的第二间距；
19.权利要求16所述的方法还包括以下: 调整该磁板厚度以改变集成共模电感的漏电感，该集成共模电感由环形磁芯，磁板，第一线圈和第二线圈组成。
20.权利要求16所述的方法还包括以下: 生成一个包括共模电感和差模电感的集成共模电感，其中，该共模电感来自第一线圈和第二线圈，该差模电感来自该集成共模电感的漏电感；和通过改变该磁板的参数来改变差模电感的电感值。
【文档编号】H02M1/44GK103748774SQ201180073055
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2011年9月14日 优先权日:2011年8月25日
【发明者】傅电波, 陈保国 申请人:华为技术有限公司