一种集成y电容的平面变压器结构
阅读说明：本技术 一种集成y电容的平面变压器结构 (Planar transformer structure of integrated Y capacitor ) 是由 钱钦松 徐诗云 许胜有 孙伟锋 时龙兴 于 2021-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种集成Y电容的平面变压器,涉及电磁兼容和磁性元器件设计领域。一次侧绕组与二次侧绕组交错排列,其寄生电容改善了二次侧整流二极管的噪声传导路径。辅助绕组一端与原边地相连,另一端悬空,与二次侧绕组形成集成Y电容(CY),改善了一次侧开关管和二次侧整流二极管的噪声传导路径。本发明在保持完全交叉换位结构平面变压器低漏感、高效率优点的前提下,利用了一次侧绕组与二次侧绕组之间的寄生电容,使其成为了引导噪声的低阻抗路径,几乎消除了级间电容带来的不利影响,可以有效减小开关电源对外的传导噪声干扰。同时通过将Y电容集成,可以进一步减小开关电源的面积,有利于开关电源的小型化,提高了开关电源的功率密度。(The invention discloses a planar transformer integrated with a Y capacitor, and relates to the field of electromagnetic compatibility and magnetic component design. The primary side winding and the secondary side winding are arranged in a staggered mode, and the parasitic capacitance of the primary side winding and the secondary side winding improves the noise conduction path of the secondary side rectifier diode. One end of the auxiliary winding is connected with the primary side ground, the other end of the auxiliary winding is suspended, and an integrated Y Capacitor (CY) is formed by the auxiliary winding and the secondary side winding, so that the noise conduction path of the primary side switch tube and the secondary side rectifier diode is improved. On the premise of keeping the advantages of low leakage inductance and high efficiency of the planar transformer with the complete cross transposition structure, the invention utilizes the parasitic capacitance between the primary side winding and the secondary side winding to make the parasitic capacitance become a low impedance path for guiding noise, almost eliminates the adverse effect caused by the interstage capacitance, and can effectively reduce the external conducted noise interference of the switching power supply. Meanwhile, the area of the switching power supply can be further reduced by integrating the Y capacitor, so that the miniaturization of the switching power supply is facilitated, and the power density of the switching power supply is improved.)
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及电磁兼容和磁性元器件设计。
背景技术
随着便携式电子设备的快速发展，人们对于充电设备的充电速度的提高及体积的减小提出了越来越高的要求。提高开关频率是减小体积、提高效率的有效手段，但是会加剧开关电源的EMI问题。
平面变压器相比于传统变压器而言，在高度、体积和质量上有着显著的优势，同时对于寄生电容的控制更容易，可以加以利用成为噪声回流的路径。平面变压器导体的薄型结构可以降低高频效应带来的影响，从而降低损耗。同时平面变压器结构中原边与副边耦合更为紧密，因此可以降低漏感，减少漏感带来的额外噪声。平面变压器绕组交错排列可以减小变压器的漏感，降低变压器的损耗，但是会带来更大的级间电容，对EMI带来不利影响，同时屏蔽层设计也很困难。
Y电容可以有效降低高频段的共模干扰，但是添加Y电容往往需要设计额外的回路和使用额外的安规电容，且可能会带来PCB布线上的困难。且较长的PCB走线和电容引脚、接触点等的寄生电感，会降低Y电容的性能。
发明内容
技术问题：本发明针对添加Y电容带来的技术问题，提出了一种集成Y电容的平面变压器结构。该结构在保持完全交叉换位结构平面变压器低漏感、高效率优点的前提下，利用了一次侧绕组与二次侧绕组之间的寄生电容，使其成为了引导噪声的低阻抗路径，几乎消除了级间电容带来的不利影响，可以有效减小开关电源对外的传导噪声干扰。同时通过将Y电容集成，可以进一步减小开关电源的面积，有利于开关电源的小型化，提高了开关电源的功率密度。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提出一种集成Y电容的平面变压器，该平面变压器包括一次侧绕组，二次侧绕组，辅助绕组、顶部磁芯和底座磁芯；所述一次侧绕组与二次侧绕组交错排列；所述辅助绕组位于二次侧绕组旁，辅助绕组的一端与原边地相连，与二次侧绕组形成集成Y电容；所述一次侧绕组的两个端口分别为第一端口和第二端口，所述第一端口与一次侧外部电路热点相连，所述第二端口与一次侧外部电路冷点相连；所述二次侧绕组的两个端口分别为第三端口和第四端口，所述第三端口与二次侧外部电路冷点相连，所述第四端口与二次侧外部电路热点相连；所述冷点为电路工作时电压没有变化的点，所述热点为电路工作时电压变化的点。
其中：
所述的第一端口与第四端口之间形成第一寄生电容，第二端口与第四端口之间形成第二寄生电容，第二端口与第三端口之间形成第三寄生电容，第二寄生电容与第三寄生电容为二次侧整流二极管产生的噪声提供了一条低阻抗的流动路径，噪声电流不经过大地回流到二次侧整流二极管；所述一次侧绕组与二次侧绕组之间的其他寄生电容均很小，忽略不计。
所述辅助绕组一个端口与一次侧原边地相连，另一端口悬空；所述辅助绕组和二次侧绕组形成集成Y电容，所述集成Y电容两端分别连接二次侧第三端口：第三端口和一次侧原边地，使得一次侧的开关管通过其他寄生电容流入二次侧冷点的噪声电流通过此集成Y电容回流到开关管。
所述一次侧绕组与二次侧绕组的每层匝数及层数可调，以满足各种匝比设计。
所述辅助绕组和二次侧绕组冷点之间的集成Y电容以及一次侧绕组和二次侧绕组之间的其他寄生电容满足平板电容器电容值的计算公式：C＝εS/d。所述绕组之间的正对面积S用圆环的面积计算公式进行估算，所述介电常数ε由选用的PCB板材决定，所述平板间距d由PCB板材的绝缘层厚度决定。
所述一次侧绕组、二次侧绕组、辅助绕组的每层线宽尽可能大，以获得最低的损耗和最大的寄生电容正对面积S，从而获得最高的效率和最大的寄生电容值。
所述辅助绕组和二次侧绕组采用多层并联结构互相交错以增大所述集成Y电容的正对面积S，并且适当减小绝缘层厚度d，以提高所述集成Y电容的容值，获得更好的降噪效果。
所述辅助绕组与二次侧冷点所在第三端口以外的端口之间的寄生电容都很小。
所述二次侧整流二极管产生的部分噪声，通过辅助绕组形成的集成Y电容、原边地、母线电容、原边正、一次侧与二次侧第二寄生电容回流到二次侧整流二极管。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.将Y电容集成到平面变压器中，不需要使用额外的分离元器件，避免了PCB走线和电容引脚、接触点等的寄生电感，可以减小PCB的面积，有利于开关电源的小型化。
2.本发明充分利用了一次侧绕组与二次侧绕组之间的寄生电容，使其成为了引导噪声的低阻抗路径，几乎消除了级间电容带来的不利影响，可以有效减小开关电源对外的高频传导噪声干扰。
3.本发明还可以在不添加屏蔽层的情况下，保留了一次侧绕组和二次侧绕组完全交叉换位结构低漏感、高效率的优势，从而减小了漏感可能带来的噪声干扰，同时提高了开关电源的效率。
附图说明
图1为本发明一个实施例的集成Y电容的平面变压器结构示意图。
图2为本发明一个实施例的传统分立器件Y电容结构示意图。
图3为本发明一个实施例的平面变压器集成Y电容结构示意图。
图4为本发明一个实施例的噪声主要传导路径示意图。
图中有：
1.一次侧绕组；
2.二次侧绕组；
3.辅助绕组；
4.顶部磁芯；
5.底座磁芯；
NC.悬空
A：第一端口；即一次侧绕组和一次侧外部电路热点相连的点；
B：第二端口；即一次侧绕组和一次侧外部电路冷点相连的点；
C：第三端口；即二次侧绕组和二次侧外部电路冷点相连的点；
D：第四端口；即二次侧绕组和二次侧外部电路热点相连的点；
CY：集成Y电容；即通过辅助绕组和二次侧绕组分布电容形成的集成Y电容；
PGND：原边地；
Vin：原边正；
Cad：第一寄生电容；即第一端口A与第四端口D之间的寄生电容；
Cbd：第二寄生电容；即第二端口B与第四端口D之间的寄生电容；
Cbc：第三寄生电容；即第二端口B与第三端口C之间的寄生电容；
Cac：第四寄生电容；即第一端口A与第三端口C之间的寄生电容；
Cab：第五寄生电容；即第一端口A与第二端口B之间的寄生电容；
Ccd：第六寄生电容；即第三端口C与第四端口D之间的寄生电容；
Q1：开关管；
D1：整流二极管；
Lm：励磁电感；
Lr：漏感；
RL：负载；
Co：输出电容；
Cbus：母线电容；
Ce：副边冷点对地电容。
具体实施方式
本发明的一种集成Y电容的平面变压器包括一次侧绕组1，二次侧绕组2，辅助绕组3、顶部磁芯4和底座磁芯5；所述一次侧绕组1与二次侧绕组2交错排列；所述辅助绕组3位于二次侧绕组2旁，辅助绕组3的一端与原边地PGND相连，与二次侧绕组2形成集成Y电容CY；所述一次侧绕组1的两个端口分别为第一端口A和第二端口B，所述第一端口A与一次侧外部电路热点相连，所述第二端口B与一次侧外部电路冷点相连；所述二次侧绕组2的两个端口分别为第三端口C和第四端口D，所述第三端口C与二次侧外部电路冷点相连，所述第四端口D与二次侧外部电路热点相连；所述冷点为电路工作时电压没有变化的点，所述热点为电路工作时电压变化的点。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1给出了本发明提供的一种典型的集成Y电容的平面变压器结构，其中从上至下第一、三层为一次侧绕组，每层2匝，两层绕组串联连接，一次侧绕组的两个端口分别为第一端口A和第二端口B，第一端口A与一次侧热点相连，第二端口B与一次侧冷点相连；第二、四层为二次侧绕组，每层1匝，两层绕组串联连接，二次侧绕组的两个端口分别为第三端口C和第四端口D，第三端口C与二次侧冷点相连，第四端口D与二次侧热点相连；第五层为辅助绕组，辅助绕组一个端口与原边地PGND相连，另一端口悬空；冷点为电路工作时电压没有变化的点，热点为电路工作时电压变化的点。该结构中采用磁芯的尺寸为EQ20，磁芯材料为3F46。绕组的宽度尽可能大，一方面可以降低铜损，另一方面可以增大寄生电容值，为高频噪声提供更低阻抗的传导路径。
如图1所示，此种集成Y电容的平面变压器绕组结构为完全交叉换位结构，具有低漏感、高效率的优势。该结构中对电路有显著影响的寄生电容有：第一寄生电容Cad，第二寄生电容Cbd，第三寄生电容Cbc，集成Y电容CY。其他寄生电容容值大小均比这四个寄生电容值低1-2个数量级，可以忽略不计。
在优选实施例中，将本发明提出的变压器结构应用于反激变换器。附图2为传统分立器件集成Y电容结构示意图，分立的安规电容通过PCB走线分别与一次侧原边地PGND与二次侧冷点即第三端口C相连。这种结构需要设计额外的回路和使用额外的安规电容，且可能会带来PCB布线上的困难。且较长的PCB走线和电容引脚、接触点等的寄生电感，会降低集成Y电容的性能。
附图3为本发明提出的平面变压器集成Y电容结构的电路级示意图。集成Y电容由辅助绕组和与二次侧冷点即第三端口C相连的二次侧绕组之间的寄生电容即集成Y电容CY实现，不需要额外的分立器件和回路，可以减小PCB的面积，有利于开关电源的小型化。附图2与附图3所示两种集成Y电容实现方式对于改善高频噪声传导路径的效果是完全等效的，因此在进行对附图3所示集成Y电容实现方式的高频噪声传导路径分析时，可以省略辅助绕组，用附图2所示结构进行等效。
附图4给出了采用本发明中集成Y电容的平面变压器结构的反激变换器的高频噪声传导路径，说明此种集成Y电容的平面变压器结构对于降低传导EMI的作用。附图4中省略了辅助绕组，用等效的集成Y电容代替，以便于进行高频噪声传导路径分析。对于反激变换器，最主要的噪声源为一次侧的开关管与二次侧的整流二极管。对于普通的平面变压器结构，一次侧开关管产生的高频噪声会经过级间电容，与二次侧整流二极管产生的噪声一起通过二次侧对大地的寄生电容(通常为散热片等对地的电容)流入大地，从而同时流入LISN的L臂和N臂，作为高频共模噪声被LISN检测到，最终通过走线和其他电容回流到开关管和整流二极管，可能会使开关电源产品不能满足EMI测试标准。
减少这类共模干扰的方式是，在一次侧绕组和二次侧绕组之间添加屏蔽层，可以大大降低级间电容，使得开关管产生的高频噪声难以通过级间电容流入副边再流入大地。但是添加屏蔽层虽然可以有效减小高频共模噪声，但是会使得一次侧绕组和二次侧绕组耦合系数降低，使得漏感增加；同时如果绕组采用交叉换位结构，需要采用多个屏蔽层，屏蔽层设计会非常复杂，同时可能会带来较大的被动损耗。
本发明采用的减少此类共模干扰的方式是在二次侧对大地的寄生电容以外，添加更低阻抗的传导路径，使得噪声通过其他传导路径回流噪声源而不是经过大地，从而让这部分噪声不流经LISN，达到改善高频EMI的作用。附图2给出了采用了图1所示的集成Y电容的平面变压器绕组结构后，反激变换器电路中高频噪声的主要传导路径。平面变压器绕组结构中对电路有显著影响的寄生电容有：第一寄生电容Cad，第二寄生电容Cbd，第三寄生电容Cbc，集成Y电容CY，电路中母线电容Cbus和输出电容Co均为容值很大的电容，在高频下可以看作是短路，因此上述电容可以视为高频噪声传导的主要路径。其他寄生电容由于大小可以忽略不计，阻抗相对较大，因此不是高频噪声传导的主要路径。
附图4中点划线箭头所示为一次侧开关管高频噪声的主要传导路径。开关管Q1产生的高频噪声不管通过何种途径传导到二次侧冷点(附图4所示C点)，只要集成Y电容CY容值远大于二次侧对大地的寄生电容值，绝大多数的噪声都可以通过集成Y电容CY回流到一次侧开关管，从而改善高频EMI。其中阻抗最低的路径为经过寄生电容Cad，二极管D1，输出电容Co到达冷点，大多数噪声再通过集成Y电容CY回流。
附图4中实线箭头所示为二次侧整流二极管高频噪声的主要传导路径。整流二极管D1产生的高频噪声大多数通过输出电容Co传导到冷点，电路中存在两条低阻抗传导路径：一条是依次通过寄生电容即第三寄生电容Cbc、第二寄生电容Cbd，最后回流到整流二极管D1；另一条阻抗稍大的路径为通过集成Y电容CY传导到一次侧，再经过母线电容从一次侧N线传导到一次侧L线，最后通过第二寄生电容Cbd回流。由于这两条低阻抗传导路径的存在，大多数由整流二极管D1产生的高频噪声不会经过二次侧对大地的寄生电容流入大地，从而不会被LISN检测到。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种集成Y电容的平面变压器结构技术思想的具体支持，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，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
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