一种带有屏蔽大容量电容器的结构的制作方法

本发明属于电容耦合技术领域，尤其涉及一种带有屏蔽大容量电容器的结构。

背景技术：

与传统的交流线路滤波器相比，在交流/直流电源适配器中，直流总线emi滤波器拓扑有助于减小emi滤波器的尺寸并提高效率。但是，发现在具有直流总线emi滤波器的高功率密度电源适配器中会发生近场电容耦合。这会损害emi滤波器的性能，尤其是在高频下。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供一种带有屏蔽大容量电容器的结构，用于减少近场电容耦合，尽管该结构是基础直流总线的emi滤波器拓扑提出的解决方案，但是这个办法可以用于任何因为大电容的近场效应引起的滤波器高频失效和高频噪音问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种带有屏蔽大容量电容器的结构，包含电容器、底部pcb，在电容器和底部pcb之间设有用于屏蔽大容量电容器的屏蔽层，且屏蔽层连接到次级接地。

作为本发明一种带有屏蔽大容量电容器的结构的进一步优选方案，所述屏蔽层采用大容量电容器屏蔽的反激式适配器的拓扑电路。

作为本发明一种带有屏蔽大容量电容器的结构的进一步优选方案，所述大容量电容器屏蔽的反激式适配器的拓扑电路具体包含电压vac端、第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、电解电容cdc、第一电容器cdm、第二电容器cout、第三电容器cy、第四电容器csg、第五电容器ccl、共模扼流圈lcm、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第三电感lcm、第四电感lcm2、第五电感ldm、第六电感lm、第一电容耦合器cbs、第二电容耦合器ccs、第三电容耦合器cds、变压器t1、第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3；

其中，电压vac端的一端分别连接第一电感l1的一端、第一电容c1的一

端、电压vac端的另一端分别连接第二电感l2的一端、第二电容c2的一端，第一电感l1的另一端分别连接第三电容c3的一端、第一二极管d1的正极、第二极管d2的负极，第一电容c1的另一端分别连接第二电容c2的另一端、第一电阻r1的一端、第二电阻r2的一端并接地，第一电阻r1的另一端、第二电阻r2的另一端分别连接第三电容c3的另一端和第四电容c4的一端,第四电容c4的另一端分别连接第二电感l2的另一端、第三二极管d3的正极、第四二极管d4的负极，第一二极管d1的负极分别连接第三二极管d3的负极、第四电感lcm2的一端、电解电容cdc的一端，电解电容cdc的另一端分别连接第二二极管d2的正极、第四二极管d2的正极和第三电感lcm的一端，第四电感lcm2的另一端连接第五电感ldm的一端，第五电感ldm的另一端分别连接第一电容器cdm的一端、第五电容器ccl的一端和第六电感lm的一端、变压器t1的b端，第一电容器cdm的另一端分别连接第三电感lcm的另一端、第一功率开关管s1的一端、第三电容器cy的一端，第一功率开关管s1的另一端连接第六电感lm的另一端，第五电容器ccl的另一端连接第二功率开关管s2的一端，第二功率开关管s2的另一端连接变压器t1的a端，变压器t1的c端分别连接第三功率开关管s3的一端，第三功率开关管s3的另一端分别连接第三电阻r3的一端、第二电容器cout的一端、第三电容器cy的另一端和第四电容器csg的一端，第三电阻r3的另一端分别连接第二电容器cout的另一端、变压器t1的d端，四电容器csg的另一端接地；

电解电容cdc的一端连接第一电容耦合器cbs的一端，第一电容耦合器cbs的另一端分别连接第二电容耦合器ccs的一端和第三电容耦合器cds的一端，第二电容耦合器ccs的另一端分别连接第三电感lcm的另一端、第一功率开关管s1的一端、第三电容器cy的一端，第三电容耦合器cds的另一端分别连接第一功率开关管s1的另一端。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明一种带有屏蔽大容量电容器的结构，用于减少近场电容耦合，尽管该结构是基础直流总线的emi滤波器拓扑提出的解决方案，但是这个办法可以用于任何因为大电容的近场效应引起的滤波器高频失效和高频噪音问题。

附图说明

图1是本发明具有二极管桥输入整流器和直流总线emi滤波器的反激式电源适配器电路图；

图2是本发明具有二极管桥输入整流器和交流线emi滤波器的反激式电源适配器电路图；

图3是本发明带交流线路滤波器或直流总线滤波器的反激式适配器的测得的cmemi噪声示意图；

图4.本发明带有dc总线滤波器和lisn的ac/dc有源钳位反激式适配器中的电压节点和电容耦合电路图；

图5是图3的物理布局示意图；

图6本发明具有大容量电容器屏蔽的反激式适配器的拓扑电路；

图7.将铜带屏蔽层接地并接地，以包围大容量电容器的示意图；

图8（a）是电源适配器的散热壳；

图8（b）是修改适配器的散热壳的形状和位置以形成屏蔽示意图；

图9是本发明将测得的cm噪声与连接到sgnd的屏蔽进行比较示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

1.直流总线emi滤波器及其相对于传统交流输入emi滤波器的优点的简介:

具有二极管桥输入整流器和直流总线emi滤波器的反激式电源适配器的电路拓扑如图1所示。共模（cm）扼流圈和差模（dm）扼流圈都放置在dc总线上。电容器cdm也放置在dc总线上，以形成带有ldm的lc滤波器，用于抑制差模（dm）噪声。1具有二极管桥输入整流器和直流总线emi滤波器的反激式电源适配器电路图如图1所示。具有二极管桥输入整流器和交流线emi滤波器的反激式电源适配器如图2所示。

与图2所示的常规交流输入滤波器相比，流过滤波器cm和dm扼流圈的电流的峰值和rms值可以大大降低。原因解释如下：由于二极管桥的操作，交流输入电流iac具有较高峰值的线路频率电流纹波。但是，由于大容量电容器cdc绕过了iac的线路频率电流纹波，因此dc侧输入电流idc几乎是一个dc分量。结果，idc的峰值和rms值都比iac小得多。

直流总线滤波器拓扑相对于交流线路滤波器拓扑的优势总结如下：对于dm扼流圈，较低的峰值电流表示磁芯的通量密度较小，这意味着可以减小dm扼流圈的尺寸。对于dm和cm扼流圈，较小的rms电流有助于减少扼流圈的功率损耗。另外，在直流总线滤波器中，可以将陶瓷电容器用作x电容器（cdm），而在交流输入滤波器中，出于安全要求，x电容器必须是薄膜电容器（cx）。由于陶瓷电容器的尺寸远小于具有相同电容值的薄膜电容器，因此dc总线拓扑结构还有助于减小滤波电容器的尺寸。

图3中测量了带有ac线路和dc总线emi滤波器的电源适配器的cmemi噪声。在测量中，两个适配器的所有组件值均相同。基于共模噪声模型，两个转换器的cm噪声应相等。然而，在图3中，带有交流电源滤波器的适配器满足传导emi标准，而带有直流总线滤波器的适配器的cm噪声在高频下比交流电源滤波器的噪声高15db。它高于emi标准en55022。这表明对于直流母线滤波器的实施尚存在尚未发现和研究的技术问题。

带交流线路滤波器或直流总线滤波器的反激式适配器的测得的cmemi噪声如图3所示。

2.具有直流总线滤波器的反激式转换器中的电容耦合

对于图1中的带有dc总线滤波器的有源钳位反激式转换器，在图4中标识了电压节点。在图5中显示了适配器的物理布局。节点nb包括大容量电容器cdc，二极管电桥和pcb走线连接到他们。它是emi滤波器的输出，因此na处的噪声应非常低。从噪声节点到na的任何明显的电容耦合都可能显着增加na处的噪声。因此，na被标识为敏感节点。节点nc包括dm电容器cdm和ldm以及连接到它们的pcb走线。节点nd是电压脉动节点。它不仅包括变压器与mosfets1的漏极之间的连接，还包括变压器初级绕组的影响，因为它具有梯度电压和随时间变化的电压。

在任何两个节点之间存在电容耦合cbd，cbc和ccd。应该注意的是，大容量电解电容器cdc在敏感节点中。由于cdc尺寸较大，因此任何与cdc的电容耦合都可能很重要。cbc是节点nb与nc之间的寄生电容。电解电容器cdc与节点nc之间的耦合对cbc的贡献很大，因为cdc与初级接地（pgnd）pcb走线之间的距离很小。由于ccd与mosfets1并联，因此可以忽略。cbd是电压脉动节点nd和节点nb之间的电容耦合。由于电解电容器cdc的尺寸较大，因此意义重大。

因此，为了消除这种近场耦合，应消除cbd和cbc。

如图4所示，带有dc总线滤波器和lisn的ac/dc有源钳位反激式适配器中的电压节点和电容耦合。图5是图3的物理布局示意图。

3.具有屏蔽大容量电容器的结构：

在该专利中，提出了一种屏蔽方法以消除电容性耦合cbd和cbc。基本思想是在大容量电容器和底部pcb之间添加一个屏蔽层，并且该屏蔽层连接到次级接地（sgnd）。图6显示了屏蔽大容量电容器的电路拓扑。使用屏蔽，等效地消除了图4中的cbd和cbc，并且在nb与屏蔽（cbs）之间，nc与屏蔽（ccs）之间以及nd与屏蔽（cds）之间存在寄生电容。在图6中，ccs平行于y电容器（cy），而cbs平行于lisn的阻抗分支加上输出参考地（csg）之间的寄生电容。因此，cbs和ccs均用作y电容器，这有助于降低cm噪声。另一方面，尽管cds会影响cm噪声，但cy倾向于绕过流过cds的大部分噪声电流，因此，cds不会在高频下引起严重的cm噪声问题。对于寄生电容ccd，这个屏蔽没有作用。同时这个ccd其实和s1mosfet本身的寄生电容cds是并联的。这个mosfet自身的cds也远大于零件邻近效应产生的寄生电容ccd.所以下面就是用cds来代表讨论。

这个cds会对噪音有害。但是不在我们的专利解决方案里面。这个也是其固有的。他产生的共模噪音会通过y电容旁路掉。屏蔽等效增大y电容，也会增强这个作用。

一种带有屏蔽大容量电容器的结构，包含电容器、底部pcb，在电容器和底部pcb之间设有用于屏蔽大容量电容器的屏蔽层，且屏蔽层连接到次级接地；其中，屏蔽层采用大容量电容器屏蔽的反激式适配器的拓扑电路；如图6所示，具体包含电压vac端、第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、电解电容cdc、第一电容器cdm、第二电容器cout、第三电容器cy、第四电容器csg、第五电容器ccl、共模扼流圈lcm、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第三电感lcm、第四电感lcm2、第五电感ldm、第六电感lm、第一电容耦合器cbs、第二电容耦合器ccs、第三电容耦合器cds、变压器t1、第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3；

其中，电压vac端的一端分别连接第一电感l1的一端、第一电容c1的一

端、电压vac端的另一端分别连接第二电感l2的一端、第二电容c2的一端，第一电感l1的另一端分别连接第三电容c3的一端、第一二极管d1的正极、第二极管d2的负极，第一电容c1的另一端分别连接第二电容c2的另一端、第一电阻r1的一端、第二电阻r2的一端并接地，第一电阻r1的另一端、第二电阻r2的另一端分别连接第三电容c3的另一端和第四电容c4的一端,第四电容c4的另一端分别连接第二电感l2的另一端、第三二极管d3的正极、第四二极管d4的负极，第一二极管d1的负极分别连接第三二极管d3的负极、第四电感lcm2的一端、电解电容cdc的一端，电解电容cdc的另一端分别连接第二二极管d2的正极、第四二极管d2的正极和第三电感lcm的一端，第四电感lcm2的另一端连接第五电感ldm的一端，第五电感ldm的另一端分别连接第一电容器cdm的一端、第五电容器ccl的一端和第六电感lm的一端、变压器t1的b端，第一电容器cdm的另一端分别连接第三电感lcm的另一端、第一功率开关管s1的一端、第三电容器cy的一端，第一功率开关管s1的另一端连接第六电感lm的另一端，第五电容器ccl的另一端连接第二功率开关管s2的一端，第二功率开关管s2的另一端连接变压器t1的a端，变压器t1的c端分别连接第三功率开关管s3的一端，第三功率开关管s3的另一端分别连接第三电阻r3的一端、第二电容器cout的一端、第三电容器cy的另一端和第四电容器csg的一端，第三电阻r3的另一端分别连接第二电容器cout的另一端、变压器t1的d端，四电容器csg的另一端接地；

电解电容cdc的一端连接第一电容耦合器cbs的一端，第一电容耦合器cbs的另一端分别连接第二电容耦合器ccs的一端和第三电容耦合器cds的一端，第二电容耦合器ccs的另一端分别连接第三电感lcm的另一端、第一功率开关管s1的一端、第三电容器cy的一端，第三电容耦合器cds的另一端分别连接第一功率开关管s1的另一端。

实际上，有两种方法可以实现这个想法。一种方法是在大容量电容器的金属外壳上粘贴一条铜带，然后将其连接到次级接地。另一种方法是修改适配器的散热壳的形状和位置，以在大容量电容器和底部pcb之间形成屏蔽。

图7显示了基于图5中pcb布局的第一种方法的实现。应用铜带屏蔽层屏蔽大容量电容器，并将其接地至次级接地。电路模型与图6所示相同。将铜带屏蔽层接地并接地，以包围大容量电容器。

在某些电源适配器中，使用了散热壳。如图8（a）所示，通常使用金属外壳来封装适配器以进行散热，并且通常将其接地。在这种情况下，可以如图8（b）所示修改形状和位置，以在大容量电容器和底部pcb之间形成屏蔽。并且电路模型也将与图6相同。

与屏蔽层连接到sgnd的测得的cm噪声如图9所示。与带有dc总线滤波器的原始cm噪声相比，在高频下cm噪声降低多达20db，并符合en55022emi标准，余量超过6db。

应当注意，出于安全目的，铜屏蔽层和大容量电容器cdc均应覆盖隔离带。

在具有直流总线emi滤波器的高功率密度电源适配器中发现了近场电容耦合。为了消除这种近场耦合问题，提出了一种具有屏蔽大容量电容器的结构。该方法易于在紧凑设计中应用，而无需牺牲尺寸和成本。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。