具有外部浮置线托板的低共模噪声变压器结构的制作方法

该申请要求于2016年11月8日提交的美国临时申请号62/419,139的权益，该美国临时申请的内容通过引用并入本文。

背景信息

本发明总体涉及电源和降低共模(cm)噪声对输出负载的影响。特别地，但非排他地，它涉及变压器的改进结构，以消除、补偿或重定向cm噪声以免影响输出信号。

背景技术：

许多电气设备，例如手机、个人数字助理(pda)、膝上型计算机等，需要dc(直流)电力源。因为电力通常通过壁式插座以高压ac(交流)电力的形式输送，所以需要一种通常被称为电源的设备将高压ac电力转换为许多电气设备可用的dc电力。此外，电源通常必须在高压ac电力源和dc电力之间提供一种电隔离，以满足安全机构的要求。可用的dc电力可以由电源直接提供给设备，或者它可以用于给可再充电电池充电，该可再充电电池转而为设备提供能量，一旦存储的能量被耗尽该设备就需要充电。在运行中，电源可以使用控制器来调节输送给电气设备的输出功率，该电气设备通常可以被称为负载。该控制器调节到负载的能量传递。在一个例子中，控制器可以响应于来自传感器的反馈信息控制功率开关接通和断开，以将能量脉冲从高压ac电源传递到输出。

电源通常必须限制其输入导体中的噪声电流以满足管理机构所规定的限制。同时在两个或更多个导体中的具有相同幅度和方向(朝向电源或远离电源)的电流被称为共模电流。在两个导体中的具有相同幅度但相反方向的电流称为差动电流。

输入导体中的共模电流通常是对电源接收的功率没有贡献的噪声电流，而由输入电压源提供的差动电流输送由电源接收的功率。共模电流主要源于电源中高压的快速切换。由变化的电压引起的位移电流返回在包括电源的输入导体的路径上的其原点位置，并且因此带来受管理机构限制的噪声电流。

减少共模电流的一种方法是将电感部件放置在输入导体中。这些部件有时被称为共模电感器或共模扼流圈。共模电感器可以具有在公共磁芯上的两个或更多个绕组，在公共磁芯上绕组被配置为抵抗会在输入导体中以相同方向流动的共模噪声电流，同时对向电源提供功率的差动电流提供可忽略不计的抵抗。在输入导体中使用共模电感器的一种优选替代方案是将特殊绕组添加到已经在电源中用于功率转换目的的能量传递元件。

电源中的能量传递元件，有时被称为变压器，是具有位于磁芯上的多个绕组的电感部件。在运行期间，变压器允许在电源的输入侧(被称为初级侧)和电源的输出侧(被称为次级侧)之间传递能量。变压器还在电源的输入和输出之间提供电流隔离。电流隔离是防止直流电流在输入导体和输出导体之间流动的特性。然而，在电场的快速变化期间，电容性电流可以传递通过电流隔离。功率转换所必需的绕组是功率绕组。不参与功率转换功能的附加绕组可称为“特殊绕组”，例如平衡绕组、抵消绕组或屏蔽绕组。一些绕组可以提供屏蔽功能和功率转换功能，例如像偏置绕组，其可以用作屏蔽绕组并且还为控制电路提供供电电压。

特殊绕组的目的是将位移电流限制到不包含电源的输入导体的路径。优选的是，位移电流留在能量传递元件内，并且等效传导电流不会超出能量传递元件的端子非常远。特殊绕组通过在适当的位置以适当的强度引入电场以引导位移电流采取期望的路径，来实现其目的。

已经开发了众所周知的方法来设计和构造包含用于减少电源中的共模电流的目的的屏蔽绕组的能量传递元件(换句话说，变压器)。对于某些应用，例如当能量传递元件的绕组具有小数量的匝数时，可能无法提供常规的屏蔽效果和位移电流的期望减少。还有，当负载对cm噪声水平具有额外的灵敏度时，例如在触摸屏设备的电容传感器中，这些方法会遇到困难。

共模电流可以在相同方向上在电源板(powerboard，配电板)的两个供电线中同相流动。共模电流经由每根导线对地的分布寄生电容返回到地。cm电流产生具有相等幅度和极性的磁场，这些磁场不会相互抵消掉，并且像天线一样起作用，产生射频干扰rfi。理想的变压器被认为是一种通过完美的磁耦合作用在初级和次级绕组之间传递电能的完美电路元件。理想的变压器将只传输交流差模电流。共模电流不会被传输，因为它会在变压器绕组上产生零电位差，因此不会在变压器绕组中产生任何磁场。任何真正的变压器都会有一个小但非零的电容，将初级绕组连接到次级绕组。电容是绕组之间的物理间隔和绕组之间存在电介质的结果。通过增加绕组之间的间隔，并通过使用低介电常数材料填充绕组之间的空间，可以减小该绕组间电容的大小。对于共模电流来说，绕组间电容提供跨变压器的路径，该路径的阻抗取决于电容的大小和信号频率。

附图说明

参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷举性实施方案，其中除非另有说明，相同的附图标记在所有各个视图中指代相同的部分。

图1是根据本发明的教导的具有带外部安装浮置线的低变压器的反激式开关调节器的示例电路图。

图2是根据本发明的教导的具有待耦合到外部浮置线的辅助浮置绕组的变压器的电气图。

图3是根据本发明的教导的在图2的示意图中表示的变压器的横截面。

图4a示出了根据本发明的教导的组装变压器。

图4b示出了根据本发明的教导的具有外部浮置线的隔离安装板和组装变压器。

图4c示出了根据本发明的教导的在组装变压器之上的隔离安装板。

图5a示出了根据本发明的教导的在隔离安装板上的一对开端式导电迹线的示例。

图5b示出了根据本发明的教导的在隔离安装板上的一对开端式导电迹线的另一示例。

图5c示出了根据本发明的教导的在隔离安装板上的一对开端式导电迹线的另一示例。

图6a示出了使用根据本发明的教导的本发明的变压器结构之前在充电器适配器的输出处的cm噪声测量的测试结果。

图6b示出了根据本发明的教导的具有组装变压器和隔离安装板的充电器适配器的输出处的cm噪声测量的测试结果。

相应的附图标记在附图的所有若干视图中指示相应的部件。本领域技术人员将理解，附图中的元件是为了简化和清楚而示出的，不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸相对于其他元件可能被夸大，以帮助改进对本发明的各实施方案的理解。此外，通常未描绘在商业上可行的实施方案中有用或必要的常见但易于理解的元件，以便于较少受阻碍地查看本发明的这些各实施方案。

具体实施方式

本文描述了降低功率转换器中到输出负载的共模噪声的变压器的实施例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员来说明显的是，不需要采用所述具体细节来实施本发明。在其他情况下，没有详细描述公知的材料或方法，以避免模糊本发明。

贯穿本说明书提及“一个实施方案(oneembodiment)”、“一实施方案(anembodiment)”、“一个实施例(oneexample)”或“一实施例(anexample)”意味着，结合该实施方案或实施例描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在整个说明书中各个地方出现措辞“在一个实施方案中”、“在一实施方案中”、“一个实施例”或“一实施例”不一定都指代相同的实施方案或实施例。此外，具体特征、结构或特性可以在一个或多个实施方案或实施例中以任何合适的组合和/或子组合进行组合。具体特征、结构或特性可以被包括在集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能的其他合适的部件中。此外，应理解，随本文提供的图用于向本领域普通技术人员解释的目的，并且附图不一定按比例绘制。

出于本公开内容的目的，“接地(ground，地)”或“接地电位(groundpotential，地电位)”是指参考电压或电位，电路或集成电路(ic)的所有其他电压或电位都对照该参考电压或电位来定义或测量。

电源电路板是电源部件(powercomponent)所在的板。电源电路板可能容易暴露于产生的且可能通过两个线路对地的分布电容传输通过接地参考到两个线路的cm噪声。这种不期望的产生的噪声可能影响板上的和输出负载上的许多功能。

在一些特定应用诸如触摸屏设备中，本申请中提出的变压器结构的所公开的改进可以通过更准确地检测触摸屏上的触摸信号来减少共模噪声并改善性能。在其他应用中，本申请中提出的变压器结构的改进可以消除、补偿或重定向cm噪声。

图1示出了根据本公开内容的利用具有外部安装浮置线的低共模噪声变压器的反激式开关调节器(功率转换器)100的示例电路图。

反激式开关调节器包括变压器110、控制器150、功率开关170、整流器162、输出电容器c1164和负载168。

在一个实施例中，变压器110可以被称为能量传递元件。能量传递元件110还包括通过开关元件(功率开关)170耦合到输入电压vin105的初级绕组120。初级绕组120的高电位端子电耦合到导电连接(conductivelink，传导连接，导电链路)122，并进一步耦合到芯125(等电势)。在一个示例中，输入电压vin105可以是通过输入桥式整流器(未示出)来自ac线路(50-60hz)的经整流和滤波的电压。功率开关170由来自控制器150的驱动信号udrive155控制，以调节从输入到输出负载的能量传递。

控制器150被耦合以接收表示通过功率开关170的感测电流174的电流感测信号uisns154、表示输入电压vin105的输入电压感测信号uvin153和来自开关调节器的输出的反馈信号ufb151。此外，控制器150被耦合以接收端子bp152上的供电电压，在一个示例中，该供电电压可以通过变压器110上的偏置绕组130。该供电电压由偏置绕组上的感应ac电压产生，该感应ac电压通过整流器132整流、由电容器134滤波并且被施加到参考主接地101的控制器150的端子bp152。

在运行中，由次级绕组160从能量传递元件110的初级绕组120接收的ac能量通过二极管d1162整流并且由输出电容器c1164滤波以提供负载168上的经调节的输出。可以通过输出电压vo166或输出电流io165或两者的组合来调节负载168。点极性示出绕组的端之间的电压的极性。所有带点的端相对于没有点的端具有相同的极性。带点的端可以是正的也可以是负的，取决于功率开关是on(导通的)还是off(断开的)。换句话说，当一个绕组的带点的端相对于其不带点的端为正时，每个其他绕组的带点的端相对于其不带点的端将为正，并且当一个绕组的带点的端相对于其不带点的端为负时，每个其他绕组的带点的端相对于其不带点的端将为负。变压器110的初级绕组120中存储的能量可仅在功率开关170处于断开状态(开路且不导通)时被传递到输出电容器164。

图1还包括具有耦合到偏置绕组130的端子5131的第一端和不包括电连接的第二端nc136的屏蔽绕组135。

变压器110还包括具有浮置端子fl1141和fl2142的辅助绕组140。通过从浮置端子fl1141和fl2142延伸导线，可以在隔离片(例如，小片空白电路板)上形成外部平坦框架，并且可以将外部平坦框架安装在变压器的顶部，如图3中将要描述的。

图2示出了用于图1中的示例变压器的绕组的示例性电气示意图。变压器的绕组进一步标有wd1、wd2、wd3等。wd命名是指绕组图，其用于表示绕组相对于芯的位置。例如，wd1是最靠近芯定位的绕组，而wd2是紧邻wd1定位的绕组。

初级绕组wd1220包括耦合到具有较高电位的输入线路的端子221，该端子221通过导电连接222电耦合到芯225。初级绕组wd1220的端子223耦合到开关元件(例如图1中的功率开关170)。次级绕组260的端子261和263耦合到如图1中所示的反激式开关调节器的输出电路。

偏置绕组wd2230具有与次级绕组wd5260相同的点极性，并包括端子231和233。如前所述，偏置绕组wd2230被耦合以产生用于如图1中所提到的反激式开关调节器的控制器的dc供电。

浮置屏蔽绕组wd3235(在一个示例中由一个或多个匝组成)通过导电连接237耦合到偏置绕组wd2230的高侧(高电位)端子231。屏蔽绕组wd3235的端子nc236不包含电连接。

辅助浮置绕组wd4240具有与次级绕组wd5260相同的点极性。辅助浮置绕组wd4240的两个端子fl1241和fl2243不电耦合到变压器的任何点或反激式开关调节器的任何其他节点。

图3示出了用于在图2的示意图中表示的变压器的绕组的横截面。横截面示出了将围绕磁芯325以相对高的磁导率形成线圈的导线的布置，其中底部绕组将最靠近磁芯。图2中的实心黑圈表示绕组的带点的端。例如，单个实心圆圈表示单线绕组的开始。两个相邻的实心黑圈表示具有两股并排线的绕组(双线绕组)。双线绕组通常是一对从头到尾一起缠绕的非绞合绝缘线。多线绕组技术可以减小在相对高电流下工作的变压器的尺寸和改善其性能。

图3包括线轴(bobbin，绕线管、线圈架)326、两层初级绕组320、一层组合的偏置绕组330和屏蔽绕组335、一层辅助浮置绕组340，以及一层次级绕组360。隔离带层将不同绕组的层分开(例如，隔离带327将辅助浮置绕组340与次级绕组360分开)。在一个示例中，初级绕组的两个层以z配置缠绕(之字形或z字形地缠绕)。在其他示例中，第一层和第二层可以呈c配置(c字形地缠绕)。z字形缠绕的配置可以用于需要较低变压器电容的应用中，而c字形缠绕可以用于更简单的变压器构造的应用中。

初级绕组320的第一层包括耦合到如图1中所示的开关元件的端子323。初级绕组320的第二层包括通过导电连接322耦合到芯325的端子321。组合的偏置绕组和屏蔽绕组的层由多线绕组组成，其中多线绕组中的一股不包括电连接，如无连接端子nc336所指示的。黑色蚀刻圈是指屏蔽层的单匝，并且其中实心黑圈是指偏置层的多匝。

辅助绕组层包括第一浮置端子341和第二浮置端子343。第一浮置端子341和第二浮置端子343没有电连接，并且可以仅包括到其他绕组、芯325以及变压器的其他导电部分的电容性耦合。基于本公开内容的教导的辅助浮置绕组340的浮置端子341和343可以在外部延伸到变压器之上的安装隔离板，以形成具有到附近导电部分的分布电容的路径，以补偿、阻塞或重定向不期望地调制的cm噪声。次级绕组360层包括第六端子363、第七端子361，并且由三线绕组组成。

应理解，图2和图3的变压器结构仅作为示例示出，并且基于本公开内容的教导的具有外部浮置线的低共模噪声变压器结构可以用于除反激之外的任何拓扑中，具有变压器绕组排序、绕组样式或绕组股数的任何要求设计。

图4a示出了组装变压器400的三维视图，其中绕组410的所有层缠绕在如图3中所述的线轴上。在一个示例中，线轴是具有ee形磁芯的水平线轴。此外，芯包括经调节的气隙428以调节电感并在间隙区域周围产生边缘通量。

每个绕组的端子与线轴的引脚重合并且与线轴的引脚连接。例如，第一引脚421和第二引脚423与图3中的初级绕组wd1320的第一端子321和第二端子323连接。此外，第五引脚431和第四引脚433与图3中的偏置绕组330和屏蔽绕组335的第五端子331和第四端子333连接，偏置绕组330和屏蔽绕组335在单层(例如，第三层)上一起被缠绕。应当理解，为了避免这些图的杂乱，未示出线轴的其他引脚及其相关的绕组端子连接。辅助浮置绕组(例如，图3中的wd4340)的两个浮置线/端子fl1471和fl2473在没有任何线轴引脚连接的情况下伸出。

应当理解，在一个实施方案中，为了节省在芯上的额外辅助浮置绕组，该对浮置(开端式)线fl1471和fl2473可以从偏置绕组的ac端子延伸，其对cm噪声消除有一定的部分影响。然而，具有调谐的匝数的单独辅助浮置绕组可以对cm噪声消除提供最佳效果。

图4b示出了图4a的变压器400和具有延伸的浮置线的安装隔离板480。在一个示例中，隔离安装板475可以是一块面积几乎等于变压器400的顶表面的电路板材料。隔离安装板475包括以预定义图案成形的两个平行的相邻且开端的导电迹线472和474。在另一个示例中，可以存在2倍的n个平行的相邻且开端的导电迹线。在图4b的示例中，一对开端式导电迹线472和474以矩形形状的形式对齐地形成在芯区域上方，靠近隔离安装板475的侧面(靠近安装板的边缘线)。来自辅助浮置绕组端子的两个外部延伸的浮置线471和473连接到两个开端式导电迹线472和474的起点477和478。

在一个示例中，形成开端式导电迹线472和474的预定义图案的隔离板可以由网状隔离板制成，或者制成框架形状使得在该板的中间具有空的空间，以促进隔离板下面的绕组的热交换。

图4c示出了在其顶表面上包括具有延伸的浮置线的安装表面的完成的变压器490(400加480)，此时浮置线471和473连接到两个开端式导电迹线472和474的起点477和478。在一个示例中，两个开端式导电迹线472和474具有相同的长度，沿着隔离安装板的侧面彼此相距小间隔地平行。

图5a、b和c示出了变压器之上的隔离安装板上由延伸的浮置线形成的开端式导电迹线的其他建议的和可能的预定义图案/形状，以消除、补偿或重定向cm噪声，以通过降低噪声信号比(增加信噪比)来防止中断敏感传感器(例如，在触摸屏负载设备的电容性传感器中)。

图5a示出了先前在图4b和4c中呈现的矩形导电迹线，其中外浮置轨迹572和内浮置轨迹574具有相应的起点577和578，以连接来自变压器的辅助浮置绕组340的浮置线fl1471和fl2473。为了实现这两个内和外导电浮置迹线的电容性耦合的对称性，两个相邻的平行导电迹线具有相等的长度；因此，内迹线可以包括凹部576，并且外迹线可以在距其起点更长的距离处结束。

图5b示出了圆形开端式浮置导电迹线，其中外浮置迹线582和内浮置迹线584具有相等长度的迹线和相应的起点587和588。图5c示出了又一种可能的图案/形状，其具有用于两个相等长度的开端式导电迹线592和594的对称曲线，该开端式导电迹线592和594可以由隔离安装板上的延伸的浮置线形成并具有相应的起点597和598。

图6a和6b呈现了在充电器适配器(例如，具有如图1中所示的反激配置)的输出处的cm噪声测量的一些测试结果。图6a和6b示出了从50khz至450khz(在水平轴610上)的cm噪声频谱，50khz至450khz是触摸屏设备上的cm中断的主要频谱范围。图6a示出了未应用隔离安装板上的延长的浮置线的情况下(从每条线路到地具有100pf的y电容)在竖直轴620上以dbm(噪声信号比的分贝毫瓦)为单位的cm噪声测量的测试结果。图6a的测试结果示出了超过阈值水平640(在一个示例中在产品说明或规范说明中定义；例如，-85dbm)的cm噪声频谱630。频谱低端的局部峰值是由开关频率的谐波引起的。

图6b示出了应用隔离安装板上的延长的浮置线之后的测试结果(具有两个位置，这两个位置具有从每条线路到地的100pf的y电容)。在该示例中，cm噪声频谱650已经降低到说明定义的阈值水平660(例如，-85dbm)以下。

本发明的示出的实施例的以上描述，包括摘要中所描述的内容，并非旨在是穷举的或者是对所公开的精确形式的限制。尽管出于说明目的在本文中描述了本发明的特定实施方案和实施例，但是在不脱离本发明的更宽泛精神和范围的情况下，各种等同修改是可能的。实际上，应当理解，具体的示例电压、电流、频率、功率范围值、时间等是用于解释的目的，并且根据本发明的教导，其他值也可以用于其他实施方案和实施例中。

根据以上详细描述，可以对本发明的实施例进行这些修改。以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书和权利要求中公开的特定实施方案。相反，范围完全由以下权利要求确定，权利要求应根据权利要求解释的既定原则来解释。因此，本说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。