专利名称：共模电容的测量设备及方法
技术领域：
本发明涉及一种开关电源供应器，尤其涉及一种应用于测量切换式电源供应器两 隔离元件间共模电容的测量设备及方法。
背景技术：
现今，电器与电子设备欲导入市场，需符合一些由美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)或国际无线电干扰特另丨J委员会(Commission Internationale Specialedes Perturbations Radio, CISPR)所制定的电磁干扰 (Electromagnetic Interference, EMI)规范标准。通常EMI电磁干扰可区分为差模噪声 (differential-mode (DM)noise)与共模噪声(common-mode (CM)noise)。其中差模噪声的 电流路径介于火线(Line，L)与中性线(Neutral，N)两线之间，而其噪声电平由电源供应输 入端的噪声电流所决定。而共模噪声的电流路径则是介于电源线与接地线之间，通过电压 跳变点与接地线间寄生电容的充电及放电所生成，其中电压跳变点的电压在EMI测试频率 范围内的电路中快速跳动而得。通常，共模电流并非仅由单一电容决定。图1揭示一具有反激(flyback)式转 换器的电源供应器拓扑结构。图1中的反激式转换器100包含有一桥式整流器110、一滤 波电容器112与该桥式整流器110并联、一具有初级绕组(primary winding) N100及次 级绕组(secondary winding) S100的变压器T100、一开关114连接至该初级绕组N100、 一整流二极管116连接至该次级绕组S100、以及一输出电容118。而该反激式转换器100 架构于供应电源至一负载120。又，一标准的电源传输阻抗稳定网络(Line Impedance StabilizingNetwork, LISN) 130也提供连接至该反激式转换器100输入端，并架构于以提 供该转换器固定阻抗以测量EMI噪声，且使被测设备(Equipment Under Test,EUT)能与电 源线的环绕噪声隔绝。该开关114的开/关运作会在电路中的P点产生高dv/dt值；而P 点即为电压跳变点(hot-voltage point)。B点和S点是同名端。共模电流3通过初级侧 电容CP、变压器寄生电容CPS及次级侧电容CS_G而抵达接地线，其中，初级侧电容CP与次 级侧电容〔3_6介于电源供应器与接地线间的电容。如图1所示，而该电源供应电路的等效 共模电容即等同于为次级侧电容CS_G与变压器寄生电容CPS串联后再与初级侧电容CP并 联。已有许多的技术可用以减小初级侧电容CP ；—旦次级侧电容CS_G大于变压器寄生电 容CPS许多，与变压器寄生电容CPS串联的次级侧电容CS G电容值则取决于该变压器寄生 电容CPS。所以，等效共模电容最后主要终由的变压器寄生电容CPS值所决定。若越早得知 变压器寄生电容CPS的电容，则越有利于设计EMI滤波电路。因此若可以获致准确的变压 器寄生电容CPS值，则量产的品质将可获得改善。通常获寄生电容CPS有两种方法。一为计算，另一则为测试。众所都知，在变压器 结构的模型建立后，在静电场中变压器初级侧与次级侧间的寄生电容可被算出。然而结果 却与事实不符，因为当开关电源供应器运作时，沿着线圈的电压发生变化，因此变压器线圈 每一绕圈的电压并不同。然而在静电场中计算寄生电容并未考虑此点。因此并没有一种简
4单的方法可以准确地计算出在工程应用上的等效共模电容。图2A及图2B揭示公知计算共模电容的测量设备，其中图2A揭示测量设备的内部 架构；而图2B则揭示测量设备与变压器一起的测量架构。该测量设备7为一典型的阻抗分 析仪(Impedance analyzer)或阻抗测试器(LCRmeter)。由典型测量设备7所完成的计算 并不准确，因为不论是阻抗分析仪或阻抗测试器仅为具有两端点8及9的单端口网络。该测 量设备7的内部电压源10通过端点8及9而连接至被测设备11。在获得响应电流12与响 应电压13后，该被测设备11的阻抗特性即可被计算出来。然而显见地，在该单一端口网络 7中，电压源10与响应电流12、响应电压13均由相同的端点8及9所获得。在图2B中，阻 抗分析仪或阻抗测试器可精确地测量一介于初级绕组15与次级绕组16间的寄生电容14。 但介于初级绕组15与次级绕组16间的共模电流为位移电流(displacement current)，其 与如图3A、图3B中所示绕组间的压降有关。图3A揭示无屏蔽的变压器结构；而图3B则揭 示具有屏蔽的变压器结构。假设绕组15的绕圈匝数(turns)大于绕组16的匝数，且底部 绕圈17通常连接至图1中的B点，该处于EMI测试频率范围内电压几乎是稳定的，我们称 其为静地点(quiet point)。顶部绕圈18则通常接至图1中的热电压点电压跳变点P，该 处的电压跳动快速。并且绕圈18及20具有相同极性，为同名端。很明显地，绕圈17及19 间的电压差几乎是零，因此绕圈17及19该处间便几乎无共模位移电流。而绕圈18及20 间的电压差最大，因此该处间则有最大的共模位移电流。图2B中的电容14无法显示如此 的现象，所以其并非我们所要的电容。换句话说，由于在图2所示的方法下，并未考虑绕组 15或16沿顶部线圈至底部线圈的电压变化，而绕圈17及19间的电压差几乎是零，这样，绕 组15及16之间电压差几乎为零。如果绕组15及绕组16间没有电压差，则即使电容14存 在，位移电流iCM仍为零，故电容14对共模电流毫无贡献可言。电容14显然非前述关键的 共模电容CPS。若变压器内初级绕组15与次级绕组16间具有一屏蔽层21，则单端口网络 仅可测量介于屏蔽层21与次级绕组16间的寄生电容22。而寄生电容22也无法代表等效 共模电容CPS。
发明内容
本发明发明人有鉴于前述公知技术的限制与缺陷，乃经悉心试验与研究，提出一 具有双端口网络测量等效参数的测量设备。该测量设备不仅可用于已完成产品的测试，也 可于早期设计周期获致精确的寄生参数，进而辅助设计一开关电源供应器的EMI滤波器。 同时也可用于作为变压器量产时的品质管控，有效地降低管控的费用。因此开发一种用于 电源转换器的共模电容的测试设备及方法，即可处理解决前述公知限制与缺陷。本发明的目的在于提供一种可准确测量存在于一第一元件及与该第一元件隔离 的一第二元件间共模电容的测量设备。为达上述目的，本发明的一较广义实施方式为提供一种应用于测量存在于一第一 元件及与该第一元件隔离的一第二元件间共模电容的测量设备。其测量设备的结构包括一 信号产生器，连接至该第一元件，并具有一内部信号源串联至一第一内电阻，用以传送一信 号至该第一元件；以及一信号接收器，连接于该第二元件与该第一元件间，并具有一第二内 电阻，用以测量该第一元件与第二元件间的一信号响应，进而基于该信号响应而计算出存 在于该第一元件与该第二元件间的共模电容。
为达上述目的，本发明的另一较广义实施方式为提供一种应用于测量存在于一第 一元件及与该第一元件隔离的一第二元件间共模电容的测量方法，其包括步骤提供一信 号产生器及一信号接收器，其中该信号产生器连接至该第一元件且具有一内部信号源串联 至一第一内电阻；以及该信号接收器连接于该第二元件与该第一元件间且具有一第二内电 阻；通过该信号产生器的该内部信号源提供一信号至该第一元件；以及通过该信号接收器 测量该第一元件与该第二元件间的一信号响应，以及基于该信号响应计算存在于该第一元 件与该第二元件间的该共模电容。本发明提供一种具有双端口网络测量共模寄生电容的测量设备。该测量设备除了 可作为完成品的测试外，也可于早期设计周期时先行获知精确的寄生参数，进而辅助设计 一开关电源供应器的EMI滤波器。同时更可做为变压器量产时的品质管控，有效地降低管 控的费用。另一方面，本发明的测量设备更可广泛地应用于任两点间的寄生参数测量，此为 公知技术所无法实现。本发明的前述及其他技术特征、功效及优点将由下述实施例及
而可以进
一步了解。
图1 揭示一具有反激式转换器的电源供应器拓扑结构。图2A 揭示公知技术应用于计算共模电容的测量设备的内部架构示意图。图2B 揭示公知技术的测量设备与变电器一同的测量架构示意图。图3A 揭示公知技术无屏蔽层的变压器结构示意图。图3B 揭示公知技术具屏蔽层的变压器结构示意图。图4A 揭示本发明一较佳实施例的等效共模寄生电容的测量设备示意图。图4B 揭示图4A中该测量设备的等效电路图。图5A:揭示本发明较佳实施例的测量设备配置有一 EMI测量接收机的结构示意 图。图5B 揭示本发明较佳实施例的测量设备配置有一网络分析仪的结构示意图。图6A 揭示本发明较广义实施方式的测量设备方框图。图6B 揭示图6A较佳实施例的等效电路图。图7 揭示本发明再一较佳实施例的测量设备示意图。图8A及图8B 揭示本发明应用于测量一移相全桥式转换器的变压器的测量设备 电路示意图。图9A 揭示本发明应用于具有多个初级绕组及一次级绕组变压器的测量设备电 路示意图。图9B 揭示本发明应用于具有多个初级绕组及多个次级绕组变压器的测量设备 电路示意图。图IOA 揭示本发明应用于测量MOSFET漏极与其散热器间的寄生参数的测量设备 电路示意图。图IOB 揭示本发明应用于测量光耦合器的初级侧与次级侧间的寄生参数的测量 设备电路示意图。
上述附图中的附图标记说明如下
100反激式转换器110 桥式整流器
112滤波电容器114 开关
116整流二极管118 输出电容
120负载130 电源传输阻抗稳
3 共模电流7 测量设备
8 端点9 端点
10 电压源11 被测设备
12 反应电流13 反应电压
14 寄生电容15 初级绕组
16 次级绕组17 底部绕圈
18 顶部绕圈19 底部绕圈
20 顶部绕圈21 屏蔽层
22 寄生电容400 测量设备
410信号产生器412 信号接收器
500=EMI测量接收机510 网络分析仪
600被测设备601 第一元件
602第二元件610 信号产生器
612信号接收器620 电压跳变点
630静地点640 静地点
710信号产生器712 信号接收器
720电压跳变点730 静地点
740电压点750 静地点
810信号产生器812 信号接收器
910信号产生器912 信号接收器
940第一共同节点960 第二共同节点
1000 测量设备1010 信号产生器
1012 信号接收器1020 =MOSFET
1021 漏极1022 源极
1030 散热器1100 测量设备
1110:信号产生器1112:信号接收器
1120 光耦合器1121 初级侧
1122 次级侧B 静地点
CP 初级侧电容CPS 变压器寄生电容
CPSl 共模寄生电容CPS2 共模寄生电容
CSjG 次级侧电容C13 共模寄生电容
IL 穿透损耗NlOO 初级绕组
NP400 初级绕组NP600 初级绕组
NP700 初级绕组NP800 初级绕组
7
NP910 初级绕组NP920 初级绕组
NS400 次级绕组NS600 次级绕组
NS700 次级绕组NS800 次级绕组
NS900 次级绕组P 电压跳变点
P，.占 ； WNPl 第一电压跳变点
P2第二电压跳变点SlOO 次级绕组
S 静地点TlOO 变压器
Kl静地点K2 静地点
UP输出电压U，P 信号源
US输入电压UA 输出电压
UB输入电压VP 电压
VS电压ZA 内电阻
ZB内电阻ZP 内电阻
ZS内电阻f 测量频率
iCM 共模位移电流
具体实施例方式体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的 是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其都不脱离本发明的范围，且其中的说明 及附图在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。本发明揭示一种具双端口网络机制的等效共模电容的测量设备。如图4A及图4B 所示，本发明的测量设备400包含一信号产生器410及一信号接收器412。其中图4A揭示 本发明一较佳实施例的等效共模寄生电容的测量设备，设置于初级侧电压跳变点P与次级 侧静地点S间。该信号产生器410连接至变压器初级绕组NP400的点P及P’。而该信号接 收器412则连接于该初级侧绕组NP400的点P’与该次级侧绕组NS400的点S间。对于该信 号接收器412而言，其可以一频谱分析仪(Spectrum analyzer)替代之。此测量机制模拟 一于开关电源供应器内变压器的实际运作状态。这表示信号源被注入该初级侧绕组NP400， 而于该初级侧与次级侧间的响应可被该信号接收器412所测得。其信号源与响应位于不同 的端口 ；不同于单端口网络测量者的信号源与响应均在同一端口。所以其可准确的测量出 等效共模寄生电容CPS。图4B为图4A中该测量设备的等效电路图。如图4A所示，该信号产生器410内的 内电阻ZP与该信号接收器412内的内电阻ZS均为50 Ω，则该信号产生器410的输出电压 UP参照于该内电阻ZP上的电压，而非内部信号源U，P的实际幅值。通常U’ P = 2UP，或以 分贝(dB)为单位则U，P|dB = UP|dB+6。根据欧姆定律(Ohm，s law), CPS可由下列算式 (1)计算而得。
权利要求
一种应用于测量存在于一第一元件及与该第一元件隔离的一第二元件间共模电容的测量设备，其结构包括一信号产生器，连接至该第一元件，并具有一内部信号源串联至一第一内电阻，用以传送一信号至该第一元件；以及一信号接收器，连接于该第二元件与该第一元件间，并具有一第二内电阻，用以测量该第一元件与第二元件间的一信号响应，进而基于该信号响应而计算出存在于该第一元件与该第二元件间的共模电容。
2.如权利要求1所述的共模电容的测量设备，其中该信号接收器包含有一频谱分析仪。
3.如权利要求1所述的共模电容的测量设备，其中该信号产生器及该信号接收器配置 于一 EMI测量接收机或一网络分析仪。
4.如权利要求1所述的共模电容的测量设备，其中该第一元件包含有一变压器初级绕 组；该第二元件包含有一变压器次级绕组。
5.如权利要求4所述的共模电容的测量设备，还包含一屏蔽层，连接至该第一元件，并 设置于该第一元件与该第二元件间，用以降低该第一元件与该第二元件间的一共模电流。
6.如权利要求4所述的共模电容的测量设备，其中该信号产生器连接于该变压器初级 绕组的一电压跳变点与一静地点间；而该信号接收器则连接于该变压器次级绕组的一静地 点与该变压器初级绕组的该静地点间。
7.如权利要求4所述的共模电容的测量设备，其中该信号产生器连接于该变压器初级 绕组的一电压跳变点与位于该电压跳变点及该变压器初级绕组一静地点之间一电压点间； 而该信号接收器则连接于该变压器次级绕组的一静地点与该变压器初级绕组的该静地点 间。
8.如权利要求4所述的共模电容的测量设备，其中该变压器初级绕组与该变压器次级 绕组均配置于一反激式转换器。
9.如权利要求4所述的共模电容的测量设备，其中该变压器初级绕组与该变压器次级 绕组均配置于一移相全桥式转换器。
10.如权利要求9所述的共模电容的测量设备，其中该信号产生器连接于该变压器初 级绕组的一第一电压跳变点与一第二电压跳变点间；而该信号接收器则连接于该变压器次 级绕组的一静地点与该变压器初级绕组的该第一电压跳变点间。
11.如权利要求9所述的共模电容的测量设备，其中该信号产生器连接于该变压器初 级绕组的一第一电压跳变点与一第二电压跳变点间；而该信号接收器则连接于该变压器次 级绕组的一静地点与该变压器初级绕组的该第二电压跳变点间。
12.如权利要求1所述的共模电容的测量设备，其中该第一元件包含有多个变压器初 级绕组；该第二元件包含有一变压器次级绕组。
13.如权利要求12所述的共模电容的测量设备，其中所述多个变压器初级绕组的静地 点均彼此连接至一共同节点；而该信号产生器连接于所述多个变压器初级绕组中一主要绕 组的一电压跳变点与所述多个变压器初级绕组的该共同节点间；且该信号接收器则连接于 该变压器次级绕组的一静地点与所述多个变压器初级绕组的该共同节点间。
14.如权利要求1所述的共模电容的测量设备，其中该第一元件包含有多个变压器初级绕组；该第二元件包含有多个变压器次级绕组。
15.如权利要求14所述的共模电容的测量设备，其中所述多个变压器初级绕组的静地 点均彼此连接至一第一共同节点；而所述多个变压器次级绕组的静地点均彼此连接至一第 二共同节点；该信号产生器连接于所述多个变压器初级绕组中一主要绕组的一电压跳变点 与所述多个变压器初级绕组的该第一共同节点间；且该信号接收器则连接于所述多个变压 器次级绕组的该第二共同节点与所述多个变压器初级绕组的该第一共同节点间。
16.如权利要求1所述的共模电容的测量设备，其中该第一元件包含有一开关；而该第 二元件包含有一散热器。
17.如权利要求1所述的共模电容的测量设备，其中该第一元件包含有一光耦合器的 一次侧；该第二元件包含有该光耦合器的一次级侧。
18.一种应用于测量存在于一第一元件及与该第一元件隔离的一第二元件间共模电容 的测量方法，其包括步骤提供一信号产生器及一信号接收器，其中该信号产生器连接至该第一元件且具有一内 部信号源串联至一第一内电阻；以及该信号接收器连接于该第二元件与该第一元件间且具 有一第二内电阻；通过该信号产生器的该内部信号源提供一信号至该第一元件；以及通过该信号接收器测量该第一元件与该第二元件间的一信号响应，以及基于该信号响 应计算存在于该第一元件与该第二元件间的该共模电容。
19.如权利要求18所述的共模电容的测量方法，其中该第一元件包含有一变压器初级 绕组；该第二元件包含有一变压器次级绕组。
20.如权利要求19所述的共模电容的测量方法，其中该信号产生器连接于该变压器初 级绕组的一电压跳变点与一静地点间；而该信号接收器则连接于该变压器次级绕组的一静 地点与该变压器初级绕组的该静地点间。
21.如权利要求19所述的共模电容的测量方法，其中该信号产生器连接于该变压器初 级绕组的一电压跳变点与位于该电压跳变点及该变压器初级绕组一静地点之间一电压点 间；而该信号接收器则连接于该变压器次级绕组的一静地点与该变压器初级绕组的该静地 点间。
全文摘要
本发明公开一种应用于测量存在于一第一元件及与该第一元件隔离的一第二元件间共模电容的测量设备机器方法。该测量设备的结构包括一信号产生器，连接至该第一元件，并具有一内部信号源串联至一第一内电阻，用以传送一信号至该第一元件；以及一信号接收器，连接于该第二元件与该第一元件间，并具有一第二内电阻，用以测量该第一元件与第二元件间的一信号响应，进而基于该信号响应而计算出存在于该第一元件与该第二元件间的共模电容。本发明除了可作为完成品的测试外，也可于早期设计周期时先行获知精确的寄生参数，进而辅助设计一开关电源供应器的EMI滤波器。同时更可做为变压器量产时的品质管控，有效地降低管控的费用。
文档编号G01R27/26GK101943717SQ20101022113
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月1日 优先权日2009年7月1日
发明者周敏, 周锦平, 应建平, 谢毅聪 申请人:台达电子工业股份有限公司