用于减少电磁干扰的方法和装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于减少电磁干扰的方法和装置。一种DC到DC的功率转换器包括开关电路和LC滤波器。所述LC滤波器包括电连接在电感器与线圈之间的电容器。所述电感器与所述线圈以相同的方向缠绕。所述线圈相对于所述电感器进行布置和定向,使得从开关电路流过所述电感器和所述线圈的电流在所述电感器和所述线圈之间引起感应耦合。所述耦合提高了电容器的寄生电感和电容发生谐振的频率。
【专利说明】
用于减少电磁干扰的方法和装置
技术领域
[0001] 本公开总体上涉及电气噪声过滤,更具体地,涉及过滤来自电路的高频噪声。
【背景技术】
[0002] 车辆功率转换器(诸如,DC到DC功率转换器)可在操作期间产生噪声。无源滤波器 (诸如,LC滤波器)可被用于降低该噪声,但可能出现成本、重量和包装上的问题。
【发明内容】
[0003] -种功率转换器包括:开关电路和LC滤波器,所述LC滤波器具有电连接在电感器 与线圈之间的电容器。所述线圈以与所述电感器的缠绕方向相同的方向缠绕。所述线圈相 对于所述电感器进行定向,使得从所述开关电路流过所述电感器和所述线圈的电流在所述 电感器和所述线圈之间引起感应耦合。所述感应耦合提高了所述电容器的寄生电感和电容 发生谐振的频率。
[0004] -种LC滤波器包括:电感器;线圈,以与所述电感器的缠绕方向相同的方向缠绕; 电容器,电连接所述电感器和所述线圈。所述线圈相对于所述电感器来布置,使得流过所述 电感器和所述线圈的电流在所述电感器和所述线圈之间引起感应耦合,所述感应耦合提高 了所述电容器的寄生电感和电容的谐振频率。
[0005] 根据本发明的一个实施例,所述LC滤波器还包括连接所述电感器和所述电容器的 汇流条,其中,所述线圈形成在所述汇流条的一端。
[0006] 根据本发明的一个实施例,所述LC滤波器还包括磁芯,其中,所述电感器和所述线 圈均绕着所述磁芯缠绕。
[0007] 根据本发明的一个实施例,所述线圈的匝数是基于所述电感器的尺寸的。
[0008] 根据本发明的一个实施例,所述线圈的直径是基于所述电感器的尺寸的。
[0009] 根据本发明的一个实施例,所述线圈的尺寸是基于所述电感器与所述线圈之间的 距离的。
[0010] 提供了一种用于降低与开关电路关联的噪声的方法,所述方法包括:引导电流从 开关电路流过LC电路的电感器和线圈,其中,电感器和线圈具有相同的缠绕方向,LC电路包 括电连接电感器和线圈的电容器以使电感器和线圈感应耦合,从而提高电容器的寄生电感 和电容发生谐振的频率。
[0011] 根据本发明的一个实施例,电感器和线圈均绕着同一磁芯缠绕。
【附图说明】
[0012] 图1是用于测量自寄生对LC滤波器的元件的滤波衰减量的贡献的示意图;
[0013] 图2A至图2C是示出图1中的元件的自寄生、输入阻抗和输出阻抗、输入到输出的衰 减的曲线图;
[0014] 图3是具有在电感器和输出汇流条之间的线圈的LC滤波器电路拓扑结构;
[0015] 图4是描绘具有在电感器与输出汇流条之间的线圈的LC滤波器用于降低由在输出 汇流条中的寄生消除所产生的所需电感的曲线图;
[0016] 图5是表示具有线圈的LC滤波器的两个端口的线性电路;
[0017] 图6是在图5中示出的滤波器的T型等效电路模型;
[0018] 图7是针对特定衰减量和开关频率而设计的LC滤波器的示例;
[0019] 图8是示出布置有线圈构造的LC滤波器和未布置有线圈构造的LC滤波器之间的性 能比较的曲线图。
【具体实施方式】
[0020] 在此描述本公开的实施例。然而,应该理解的是,所公开的实施例仅仅是示例,并 且,其他实施例可采用各种替代形式。附图无需按比例绘制;可夸大或最小化一些特征以示 出特定元件的细节。因此,在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性,而仅 仅是作为用于教导本领域技术人员以多种方式利用实施例的代表性基础。本领域普通技术 人员将理解的是,参照任一附图示出并描述的各种特征可与在一个或更多个其他附图中示 出的特征相结合,以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应 用的代表性实施例。然而,针对特定应用或实现,可期望对与本公开的教导一致的特征进行 各种组合和修改。
[0021] 本公开的实施例总体上提供了多个电路或其他电气装置。提及所述电路和其他电 气装置以及由它们中的每一个提供的功能时,都不意在受限于仅涵盖在此示出和描述的内 容。虽然特定标号可被分配给公开的各种电路或其他电气装置,但是这样的标号并不意在 限制所述电路和其他电气装置的操作的范围。可基于所期望的特定类型的电气实施方案, 按照任何方式将所述电路和其他电气装置彼此组合和/或分离。将认识到的是,在此公开的 任何电路或其他电气装置可包括任意数量的微处理器、集成电路、存储装置(例如,闪存、随 机存取存储器(RAM)、只读存储器(R0M)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只 读存储器(EEPR0M)或上述项的其他适当变型)和软件,它们彼此协作以执行在此公开的操 作。此外,任意一个或更多个电气装置可被配置为执行在非暂时性计算机可读介质中实现 的计算机程序,其中,所述计算机程序被编写为用于执行公开的任意数量的功能。
[0022] 本公开提供了一种性价比高的解决方案来改进过滤汇流条中的噪声。在车辆电气 系统中,共模噪声和差模噪声可基于一个或更多个电源而被产生。车辆电气系统可使用输 入和/或输出滤波器来减弱来自一个或更多个电源的噪声。输入和输出滤波器可能基于滤 波器元件与在电路中紧靠近滤波器的其他元件之间的元件自寄生耦合而具有下降的性能。 滤波器设计可能需要附加元件来避免由从开关电路产生的噪声引起的性能下降。附加元件 和/或元件尺寸的增加可造成滤波器的成本增加。例如,在高频率下的滤波器的元件可能基 于导致滤波器性能下降的电容器支路的负面影响而影响电感。
[0023] 提出的设计是使用在滤波器的电感器与汇流条的输出之间的具有延长线耦合设 计(线圈)的低通滤波器(LC滤波器),以允许消除LC低通滤波器的电容器支路的有效电感。 提出的配置有线圈的LC滤波器的设计还可保持低的汇流条电感。构思包括形成线圈的输出 汇流条线路的几何构造,所述构造可包括在输出汇流条与滤波器的电感器之间的回路或具 有多匝的回路。
[0024] 公开的从输出汇流条到滤波器电感器的线圈设计改进了 LC低通滤波器的高频性 能。该设计包括具有延长线的线圈的使用,所述线圈形成回路或者形成具有多匝的回路,且 连接在LC滤波器的元件之间。该线圈设计提供互感作为与滤波器电感器串联的附加串联电 感,以及作为与输出汇流条串联的附加串联电感。
[0025] 车辆电气/电子元件和/或子系统可基于一个或更多个电磁兼容性(EMC)要求来设 计。EMC要求确保了元件和/或子系统不超出针对噪声的预定义阈值或者在针对噪声的预定 义阈值之内。超出针对噪声的预定义阈值的元件可能影响其他元件和/或子系统的性能。 [0026] 例如,DC到DC功率转换器可基于下面示出的EMC要求来被调节:
[0027] 表 1
[0028]
[0029]如在表1中示出的,中波(AM)射频(RF)操作在54dbuV(相对于1微伏的分贝)的 0.53MHz至1.7MHz(兆赫兹)的范围中。因此,转换器提供在54dbuV且在0.53MHz的频率范围 内的噪声可导致对AM频率的干扰。转换器可连接到滤波器以降低和/或充分消除噪声。该滤 波器被用于从信号中去除不想要的频率分量,加强想要的频率分量,或者用于执行这两者。 [0030]滤波器(例如,LC低通滤波器)可确保电气/电子元件不干扰其他元件和/或子系统 的射频服务。在将低通滤波器与电气/电子元件连接之前,可执行分析以确定需要什么尺寸 的滤波器来去除不想要的频率。例如,具有延长线连接设计(即,线圈)的低通滤波器可基于 LC滤波器模型来构建,所述LC滤波器模型用于基于如在图1中示出的元件的贡献来确定滤 波衰减量。
[0031 ]图1是用于测量元件自寄生对LC滤波器的一个或更多个元件的滤波衰减的贡献的 示意图100。电气简图100包括LC滤波器101,LC滤波器101具有电容器等效电路102和电感器 等效电路104。电感器等效电路104和电容器等效电路102被配置为构成LC滤波器101。作为 低通滤波器的LC滤波器101被配置为使频率高于截止频率的信号衰减。电容器等效电路102 包括彼此串联的电容器Cseif 106、电感器Lesl 108和电阻器Resr 110。电感器Lesl 108表不LC 滤波器101的电容器102的寄生电感。电感器等效电路104 (例如,衰减电路)包括彼此并联而 成的电感器LSeif 112、电容器Ctt 114和电阻器RCOTe 116。电感器LSeif 112是电感器等效电路 104的自电感。电容器Ctt 114是LC滤波器电感器的缠绕电容(intertwining capacitance)。 电感器等效电路104和电容器等效电路102被配置为测量LC滤波器101的滤波衰减量。
[0032]电气简图100是包括电压源118的电路100,用于模拟注入LC滤波器101的噪声。电 路100还包括模拟噪声源阻抗的源阻抗120丄(:滤波器101可被配置为过滤由该噪声源产生 的频率。LC滤波器101的设计可基于产生的噪声的幅度和期望的衰减程度而增加电感器112 和电容器106的尺寸。LC滤波器101加载有负载阻抗122。负载阻抗122跨越第二电压V 2 130 提供电路100的输出阻抗Zcmt 128。通过计算第二电压V2 130与第一电压Vi 126的电压比来 表征LC滤波器101的性能。LC滤波器101的性能在图2A至图2C的曲线中示出。
[0033] 电感器等效电路104可提供下降数据以分析LC滤波器101的性能,使得滤波衰减量 的下降被描述为归因于其在电感器LSelf 112和电容器Ctt 114之间的自寄生。例如,可通过 基于在下面的等式(1)中示出的第一谐振频率5最大化电感器Lesl 108和电容器CSelf 106的 输入阻抗Zin 124,来改进滤波器101的性能。如图1中示出的,电路100的输入阻抗Zin 124跨 越第一电压Vi 126。
[0034] 电路100提供变量以计算可能引起滤波衰减的元件自寄生的贡献。基于电路100, 针对LC滤波器101的谐振频率可基于下列等式进行计算:
[0038]图2A包括示出跨越第一电SVi 126的电气简图100的输入阻抗Zin 124的两幅曲线 图201和203。曲线图201和203具有代表频率202的X轴和分别代表幅值206和相位204的y轴。 幅值曲线图201示出整个频率范围的输入阻抗Z in 124的幅值208。如在幅值曲线图201中示 出的,输入阻抗Zin 124的性能基于电容器Ctt 114开始下降。如在曲线图201中示出的,电容 器Ctt 114的幅值213模拟了电感器104的缠绕电容。该电容表现为与电感器的电感并联,导 致在根据上面的等式(3)计算的值近似为10 7Hz的第三谐振频率f3处发生谐振。对于大于第 三谐振频率f3的频率,输入阻抗Ζ ιη 124受控于Ctt 114的阻抗。因此,高频性能按照输入阻抗 Zin 124的幅值208所示出的下降。
[0039]输入阻抗幅值208在高频处开始降低(210)。相位曲线图203示出了整个频率范围 的输入阻抗相位212。如在曲线图203中示出的,在第三频率f3(近似为107Hz)处,相位从正九 十度改变为负九十度,表明输入阻抗是电容性的,且受控于Ctt 114的阻抗。
[0040] 图2B包括示出跨越第二电压V2 130的电路图100的输出阻抗Zcmt 128的两幅曲线 图205和207。曲线图205和207具有代表频率202的X轴和分别代表幅值206和相位204的y轴。 幅值曲线图205示出了整个频率范围的输出阻抗Zcmt 128的幅值214。如在幅值曲线图205中 示出的,输出阻抗128的性能基于模拟电容器的自阻抗的电容器CSei f 106的幅值217开始下 降。可通过基于减小电容器支路中的电感最小化输出阻抗来改进LC滤波衰减。
[0041] 在电容器106于第二谐振频率5处与电感器108发生谐振之后,输出阻抗Zc>ut 128 的幅值214在高频处开始增大,其中,第二谐振频率f2为按照上面的等式(2)计算的大于 1 〇5Hz的值。相位曲线图207示出了整个频率范围的输出阻抗Zcmt的相位216。如在曲线图207 中示出的,LC滤波器101的相位偏移(从负九十度到正九十度)发生在相对低的频率处。相位 偏移示出了电容器支路电感何时与电容器102的自电容发生谐振。例如,输出阻抗Ζμ的相 位216示出了在第二谐振频率5之后,LC滤波器101中的电容器C Self 106不再工作,从而导致 滤波衰减量的下降。
[0042]可通过消除在第二频率5处发生的电容器的寄生电感与其自电容之间的谐振来 改进LC滤波器101的高频衰减。这样,LC滤波器的输出阻抗128在高频处被最大化。
[0043]图2C包括示出了测量的LC滤波器101的滤波衰减量的两幅曲线图209和211。曲线 图209和211示出了在不同频率下的LC滤波器101的性能。曲线图209和211具有代表频率202 的X轴和分别代表幅值206和相位204的y轴。测量的滤波衰减量通过如图1中示出的LC滤波 器的配置来获取。
[0044]幅值曲线图209示出了整个频率范围的滤波衰减幅值218。如在幅值曲线图209中 示出的,按照基于上面的等式(1)至等式(3)计算的,第一谐振频率(??220、第二谐振频率 (f2) 222和第三谐振频率(f3) 224提供影响滤波衰减幅值218的噪声。滤波衰减幅值218表明 衰减位于较高频率处。如在第二谐振频率(f2)222处示出的,电容器支路(电感器Lesl 108和 电阻器Resl 110)的电感与电容器的自电容发生谐振。第二谐振频率(f2)222的后果是干扰 如表1所示的AM和FM频带的长波的滤波衰减量的下降。电感器的有效并联电容在第三谐振 频率(f 3)224处与电感器的自电感发生谐振。第三谐振频率(f3)224导致在如表1所示的FM频 带的滤波衰减量的下降。
[0045] 相位曲线图211示出了整个频率范围的滤波衰减相位226。如在曲线图211中示出 的,滤波衰减相位226表明电容器的有效电感对于滤波器性能而言是关键要素。
[0046] 响应于滤波器性能在高频下降以及电容器的有效电感对于滤波器性能而言是关 键要素的事实,需要改进的电路拓扑结构来减少过量的噪声。滤波器设计可基于过量的噪 声将附加电容和/或电感包括到LC滤波器的电容器支路中。较大电容器和/或电感器的添加 可能增加 LC滤波器的成本。替代附加的电容和电感,在输出滤波器电感器与输出汇流条之 间连接的电路拓扑结构可充分降低噪声。
[0047]图3是具有在电感器308和输出汇流条304之间的线圈312的LC滤波器电路拓扑结 构。LC滤波器电路拓扑结构300包括输出电容器306和电感器308。电感器308可被示出和模 拟为如在图1中示出的电感器等效电路104。电容器306可被示出和模拟为如在图1中示出的 电容器等效电路102。
[0048]电容器306的一端连接到地302,其另一端连接到电感器308与输出汇流条304之间 的线圈312。线圈312(例如,耦合连接回路)被配置为消除电感器的寄生电容与电感器的自 电感之间的谐振(例如,产生有效电感310)。输出汇流条304可具有线圈312,线圈312成形为 形成回路或者具有多匝的回路,以产生有效电感310。线圈可被配置为具有基于电感器、电 容器的尺寸和/或它们的组合的多匝。线圈可具有基于电感器、电容器的尺寸和/或它们的 组合的直径。
[0049] 例如,DC到DC功率转换器可具有配置有线圈312的LC滤波器,以消除在转换器的开 关电路中产生的噪声。LC滤波器具有电连接在电感器308与线圈312之间的电容器306。线圈 312按照与电感器308相同的方向缠绕。线圈312被布置在电感器308与输出汇流条304之间 并定向,使得电流从开关电路流过电感器和线圈,产生感应耦合310。线圈相对于电感器的 位置和定向(例如,距离)可基于线圈的尺寸。如图4所示,线圈312与电感器308之间的感应 耦合310提高了可在电容器支路中消除有效电感310的频率。
[0050] 图4是描绘具有线圈312的LC滤波器300降低在输出汇流条304中的电感的曲线图 400。曲线图400具有代表耦合系数402的X轴和代表在汇流条404中的电感的百分比的y轴。 随着线圈312增加在输出汇流条304与LC滤波器的电感器308之间的回路数,汇流条电感406 衰减。
[0051 ]如在图4中示出的,汇流条电感406按照在输出汇流条304与滤波器电感器308之间 的线圈增加的函数而以指数形式衰减。例如,输出汇流条304可连接到被塑形为形成回路或 者具有多匝的回路的线圈312。在线圈312(例如,耦合连接回路)中的匝数可在保持低的汇 流条电感的同时消除电容器支路的有效电感。
[0052]图5是根据一个实施例的表示具有线圈的LC滤波器的两个端口的线性电路。电路 500包括电容器等效电路102和耦合的电感器等效电路502,耦合的电感器等效电路502具有 连接到汇流条的电感器。耦合的电感器502包括耦合(510)在一起的输入电感器L! 504和输 出电感器L2 506。输入电感器Li 504和输出电感器L2 506具有相同方向的绕组。输入电感器 U 504具有逆时针方向(CC)的绕组501。输出电感器L2 506缠绕成CC绕组503。耦合的电感器 502在输入电感器L! 504和输出电感器L2 506之间产生耦合M12 508。
[0053] 例如,输入电感器Li 504可以是LC滤波器的电感器308,且输出电感器L2 506可以 是如在图3中示出的连接到汇流条的输出304的线圈312。电感器308和线圈312可具有按照 相同方向的绕组,使得流过电感器和线圈的电流产生感应耦合。
[0054] 如在图5中示出的,两个电感器504和506之间的耦合510可穿过空气。在另一实施 例中,两个电感器504和506之间的親合510可共用同一磁芯;从而电感器504和506围绕同一 磁芯缠绕。耦合的电感器502可被配置为消除电容器支路的有效电感,而无需针对LC电路添 加较大的电容器和/或电感器。
[0055]图6是用于计算由图5中的耦合的电感器502的耦合M12 508产生的互感的具有电容 器支路电感电路102的设计电路600。设计电路600可被用于量化由耦合的电感器502的耦合 产生的互感,并示出了电容器支路的元件。电容器支路电路102可被表示为如在图1中示出 的电容器102的等效电路。电容器等效电路102包括串联的电容器C Seif 106、电感器Lesl 108 和电阻器Resr 110。
[0056]在该实施例中,耦合的电感器502被示出为添加了产生的耦合值%2 508的输入电 感器L! 504和添加了产生的耦合值M12 508的输出电感器L2 506。输入电感器L! 504和输出 电感器L2 506具有相同方向的绕组且是串联连接的。产生的耦合值M12 508被示出为产生的 与输入电感器L! 504和输出电感器L2 506串联的负耦合值507。
[0057]设计电路600可使用几个等式来开发低通滤波器以满足电气/电子元件、子系统 和/或系统需求的衰减量Gatt(3nuate3。例如,下面的等式可用于设计被要求在具有一百千赫兹 (kHz)的频率的开关电路中实现负三十分贝(_30dB)的衰减量的低通滤波器。耦合的电感器 被配置且设计为基于下面的等式来消除电容器C Self 106。
[0059] 其中,f。是低通滤波器需要的频率,fs是开关频率,Gatt_ate是衰减量。所以基于上 面的示例,如果开关频率fs等于一百千赫兹(kHz),且衰减是负三十分贝,则需要 的频率f。将大约等于17782.8Hz。
[0060] 响应于需要的频率f。,针对输入电感器1^ 504和电容器Cseif 106的适当值可基于 下面的等式进行计算:
[0062] 继续上面的示例,基于需要的频率f。约等于17782.8Hz,输入电感器U 504的值可 约等于2.69uH,且电容器CSeif 106的值可约等于30uF。互感M12可能需要基于下面等式的指 示与电容器支路电感Lesl相匹配。
[0063] Mi2 = Lesl (6)
[0064] 基于上面的示例,测量的电容器支路电感Lesl(例如,寄生电感)可约等于14.8nH。 耦合的电感器502可基于下面的等式来确定针对耦合系数k所需的输出电感器L 2 506。
[0066] 其中,耦合系数k是两个电感值的比。耦合系数k是可基于设计被选择的可选值。继 续上面的示例,如果选择的耦合系数k是0.1,则输出电感器L 2 506的值可约等于8.14nH。响 应于该示例,LC滤波器设计可具有以下如在图7中示出的指定的元件。
[0067] 图7是针对特定衰减和开关频率的LC滤波器设计的示例性示例。LC滤波器设计包 括使用等式(4)至等式(7)根据上面的示例计算出的元件值。如图8所示,具有耦合的电感器 的LC滤波器设计可提供衰减以消除电气/电子元件和/或子系统的噪声。
[0068] 例如,输入电感器L! 504的值可约为2.69uH,电容器CSeif 106的值可约为30uF,电 容器支路电感Lesl 108的值可约为14.8nH,电阻器Resr 110的值可约为1.68ηιΩ,输出电感器 L2 506的值可约为8.14ηΗ。
[0069] 图8是示出布置有线圈构造的LC滤波器和未布置有线圈构造的LC滤波器之间的性 能比较的曲线图。曲线图8包括代表频率202的X轴和代表幅值206的y轴。LC滤波器(不包括 耦合的电感器(即,线圈))可具有在高频处使性能下降的输出阻抗802。例如,LC滤波器可能 具有干扰如表1中列出的AM频带806和FM频带808的输出阻抗802。
[0070] 包括耦合的电感器的LC滤波器(即,具有线圈的LC滤波器)可具有在高频处使幅值 降低的输出阻抗804。例如,具有耦合的电感器的LC滤波器可充分消除对AM频带806和FM频 带808的干扰。
[0071] 虽然以上描述了示例性实施例,但这些实施例并不意在描述权利要求所包含的所 有可能形式。说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制,并且应理解的是,可在不脱离 本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述,可将各种实施例的特征进行组合 以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管各种实施例已经被描述 为在一个或更多个期望特性方面提供优点或者优于其他实施例或者现有技术实施方式,但 是本领域的普通技术人员应认识到,一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体 系统属性,其依赖于特定应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、寿命、生命 周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可服务性、重量、工艺性、组装的容易性等。因此,针对 一个或更多个特性被描述为不如其他实施例或现有技术实施方式的实施例并非在本公开 的范围之外,并可被期望用于特定应用。
【主权项】
1. 一种功率转换器,包括: 开关电路; LC滤波器,包括电连接在电感器与线圈之间的电容器,其中,所述线圈以与所述电感器 的缠绕方向相同的方向缠绕,所述线圈相对于所述电感器进行定向,使得从所述开关电路 流过所述电感器和所述线圈的电流在所述电感器和所述线圈之间引起感应耦合,以提高所 述电容器的寄生电感和电容发生谐振的频率。2. 如权利要求1所述的功率转换器,其中,所述LC滤波器还包括连接所述电容器和所述 电感器的汇流条,其中,所述线圈形成在所述汇流条的一端。3. 如权利要求1所述的功率转换器,其中,所述LC滤波器还包括磁芯,其中,所述电感器 和所述线圈均绕着所述磁芯缠绕。4. 如权利要求1所述的功率转换器,其中,所述线圈的匝数是基于所述电感器的尺寸 的。5. 如权利要求1所述的功率转换器,其中,所述线圈的直径是基于所述电感器的尺寸 的。6. 如权利要求1所述的功率转换器,其中,所述线圈的尺寸是基于所述电感器与所述线 圈之间的距离的。
【文档编号】H02M1/44GK106026631SQ201610173251
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】穆罕默德·艾尔沙伊尔, 陈清麒
【申请人】福特全球技术公司