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CN107408881A - 集成三态电磁干扰滤波和线路调节模块 - Google Patents

集成三态电磁干扰滤波和线路调节模块 Download PDF

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CN107408881A CN201680012200.6A CN201680012200A CN107408881A CN 107408881 A CN107408881 A CN 107408881A CN 201680012200 A CN201680012200 A CN 201680012200A CN 107408881 A CN107408881 A CN 107408881A
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Abstract

本公开描述了与用于低侧线路瞬变的有源升压转换器和/或用于高侧线路瞬变的有源限制器集成的无源EMI滤波器的系统、方法和制品。在稳态操作期间，有源电路被禁用，因此电路充当无源EMI滤波器。在稳态操作期间，在无源EMI滤波器中使用的电感和电容组件可以起双重作用，并且当输入电压低于低线稳态时成为升压转换器的一部分，并且在一些变化中，当输入电压高于高线稳态电平时，电感和电容组件可以成为瞬态限制器的一部分。瞬态限制器可以被实施为线性通过元件或开关模式转换器(例如，降压转换器)。

Description

集成三态电磁干扰滤波和线路调节模块
技术领域
本公开一般涉及电力系统的滤波和调节组件。
背景技术
从车辆动力(例如，航天器、飞机、导弹、地面车辆、海洋应用)操作的直流-直流(DC/DC)转换器被设计成在标称工作点(例如，28V dc)周围的稳态电压范围内工作，并适应其输入端的瞬变。瞬变可以表征为输入电压的上升和下降和一种或另一种电压尖峰。一般来说，上升和下降是来自具有相对较低的源阻抗的源的、持续时间相对较长的电压增加/减小。尖峰具有短得多的持续时间，具有较高的振幅，可以具有任一极性，并且通常在能量方面受到限制。
开关模式功率转换器(SMPC)是电子设备中的电磁干扰(EMI)源。为了符合严格的电磁兼容性(EMC)要求，在SMPC的输入处通常需要EMI滤波器。EMI滤波器的设计旨在实现所需的插入损耗(IL)，即，衰减来自开关模式DC/DC转换器的不需要的电磁发射(EME)的功率。
SMPC是最广泛使用的DC电源，因为SMPC比线性电源显著更小、更轻和更高效。SMPC的主要缺点是其输入端的电流相关电磁干扰(EMI)和其输出端的电压相关干扰。负载的要求决定了输出滤波器的设计，这是转换器和其控制器设计的重要组成部分。另一方面，对于转换器本身的操作而言，通常不需要输入EMI滤波器。EMI滤波器的设计旨在实现所需的插入损耗(IL)，即，衰减来自开关模式DC/DC转换器的不需要的电磁发射(EME)的功率。输入滤波器的任务是确保系统内或与相邻系统的EMC，并符合相关EMC标准。
图1示出位于开关功率转换器12和输入电压源14之间的EMI滤波器10的示例。假设EMI滤波器10的组件不随时间变化，则EMI滤波器可以被认为是无源线性电路。
EMI滤波器10包括单一共模滤波器级16，其包括共模EMI电抗器或电感器LCM和两个旁路电容器CY1和CY2。EMI滤波器10也包括单一差模滤波器级18，其包括差模EMI电感器LDM1和旁路电容器CX1。EMI滤波器10耦合在开关功率转换器12(或其他噪声源)的输入端子20、22和输入电源14的输出端子24、26之间。功率转换器112产生共模噪声和差模噪声。
当差动电流(诸如开关功率转换器12的正常工作电流)通过共模EMI电感器LCM时，差动电流在共模EMI电感器LCM的两个绕组中抵消。因此，不存在共模EMI电感器LCM核心的净磁化。因此，共模EMI电感器LCM对差动电流没有影响。相反，当共模噪声电流通过共模EMI电感器LCM时，共模噪声电流使共模EMI电感器LCM的核心磁化。因此，共模EMI电感器LCM显示出对共模噪声电流的高阻抗，以防止共模噪声电流污染输入电源。
两个共模旁路电容器CY1和CY2串联连接并耦合在功率转换器112的两个输入端子之间。两个共模旁路电容器CY1和CY2的连接节点28耦合到地面。共模旁路电容器CY1和CY2将由功率转换器12产生的共模噪声传导到地面。
差模EMI电抗器或电感器LDM1耦合在共模EMI电感器LCM和功率转换器12的正输入20之间。差模EMI电感器LDM1抑制由功率转换器12产生的差模噪声。
差模旁路电容器CX1耦合在功率转换器12的输入端子20和22与差模EMI电感器LDM1之间，并且与共模旁路电容器CY1和CY2并联连接。
一般来说，在开关功率转换器和输入电压源之间需要进行EMI滤波，以实现符合对传导发射的监管限制。例如，MIL-STD-461定义了军事应用中使用的子系统和设备的EMI要求。欧洲共同体EMC指令、欧洲标准EN 55022或55081是传导射频发射的另一个常见行业标准。
通常用于商业航空航天和军事应用的功率转换器可以被设计用于输入电压源为28V DC输入(标称)的应用。输入电压源通常由规格或标准定义。对于军事机载应用，该标准可以是MIL-STD-704。对于军事地面应用，该标准可以是MIL-STD-1275，并且对于船上应用，该标准可以是MIL-STD-1399。商业航空航天应用可以使用MIL-STD-704标准，并且更经常使用DO-160标准。一些商业航空航天应用可以利用这样的标准，在该标准中28V DC源由GJB181-1986和GJB181A-20标准定义。
这些源要求文件中的每个均定义了负载设备(例如，功率转换器)需要接受的输入电压的稳态范围和瞬态电压的范围。这些文件中的每个都有一些修订，随着时间的推移，通常会在瞬态极值，有时在稳态范围以及发电设备上进行更严格的限制，并且对其控制也有所改善。然而，当开发产品时，希望产品能够在可能的最广范围内进行操作，使得产品可以用于最大数量的平台，包括当源规范的早期版本在适当的位置时开发的那些平台。这对于定制产品来说也是典型的，因为许多平台可保持服务许多年，特别是当应用针对多个平台出售时。
例如，这些文件中的28V输入源的稳态范围通常是从22V DC到29V DC的最窄范围以及从18V DC到36V DC的最宽范围。最宽的瞬态电压范围来自MIL-STD-1275，其规定了100V的高瞬态电平和6V的低瞬态电平(当需要启动时操作)。
许多标准DC/DC转换器被设计成从28V输入源接受15-40V稳态和50V瞬态以进行操作。例如，一些DC/DC转换器可以被设计成15-50V稳态和80V瞬态。
为了使用具有更宽的稳态和瞬态要求的输入源的这些功率转换器，可能需要将三个附加功能添加到转换器，即，EMI滤波器、升压转换器(例如，对于8V和15V之间的低瞬态)和瞬态限幅器(例如，对于50V和80V之间的高瞬态)。这些功能可以作为单独的功能组件添加到功率转换器。
功率转换器所需的宽输入范围通常通过将功率转换器设计成在整个输入范围内工作或通过添加单独的升压和/或瞬态削波/限幅功能块来完成，这取决于功率转换级的所需输入范围和设计的输入范围。当输入电源具有非常宽的输入范围(例如，多达10:1)时，需要功率转换器在整个输入范围内工作，这导致功率转换器设计上的妥协，包括降低效率。这些设计也防止使用不是为所需的宽输入范围设计的现有可用转换器。此外，使用单独的功能块用于EMI兼容性，功率转换和低侧(升压)或高侧(削波/限幅)功能可以实现良好的电气性能，但通常需要更大的体积和更高的成本。
发明内容
一种电磁干扰(EMI)滤波和线路调节(EMI-LC)电路，EMI-LC电路具有可耦合到输入电源的输出的输入和可耦合到噪声源的输入的输出，EMI-LC电路可以概括为包括：无源差模EMI滤波器电路，其包括差模EMI电感器和差模EMI电容器；升压转换器电路，其包括升压控制开关、升压输出开关、差模EMI电感器和差模EMI电容器；反馈电路，其可操作地耦合到EMI-LC电路的输入，以感测EMI-LC电路的输入处的输入特性信息；以及控制电路，其可操作地耦合到反馈电路以从反馈电路接收输入特性信息并可操作地耦合到升压控制开关，控制电路至少部分地基于从反馈电路接收的输入特性信息，至少将升压控制开关控制为禁用升压转换器电路或启用升压转换器电路中的一个。
升压转换器电路的升压输出开关可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并且当升压转换器电路被禁用时，控制电路可以将升压转换器电路的升压输出开关控制为处于接通状态，并且当升压转换器电路被启用时，将升压转换器电路的升压输出开关控制为处于断开状态。升压转换器的升压输出开关可以包括二极管。EMI-LC电路可以进一步包括：无源共模EMI滤波器，其包括共模EMI电感器和至少两个旁路EMI电容器。控制电路将脉冲宽度调制信号施加到升压控制开关的控制节点以启用升压转换器电路。控制电路可以将升压转换器电路的升压控制开关控制为处于断开状态以禁用升压转换器电路。当EMI-LC电路的输入处的电压低于确定的电压电平时，控制电路可以控制升压转换器电路的升压控制开关以启用升压转换器电路，并且当EMI-LC电路的输入处的电压处于或高于确定的电压电平时，控制电路可以控制升压转换器电路的升压控制开关以禁用升压转换器电路。EMI-LC电路可以进一步包括：线性调节器电路，其耦合在EMI-LC电路的输入和EMI-LC电路的输出之间，线性调节器电路包括可控制的线性通过元件，其中控制电路可操作地耦合到线性通过元件，并且当EMI-LC电路的输入处的电压高于确定的电压电平时，控制电路控制线性通过元件以增加线性通过元件的电阻。线性通过元件可以包括MOSFET或双极结晶体管(BJT)中的至少一个。EMI-LC电路可以进一步包括：降压转换器电路，其包括降压控制开关、降压分流开关、差模EMI电感器和差模EMI电容器，其中控制电路可操作地耦合到降压控制开关，并且控制电路至少部分地基于从反馈电路接收的输入特性信息，将降压控制开关控制为禁用降压转换器电路或启用降压转换器电路中的一个。升压转换器的降压分流开关可以包括二极管。EMI-LC电路可以进一步包括：无源共模EMI滤波器，其包括共模EMI电感器和至少两个旁路电容器。控制电路可以将脉冲宽度调制信号施加到降压控制开关的控制节点以启用降压转换器电路。控制电路可以将降压转换器电路的降压控制开关控制为处于接通状态以禁用降压转换器电路。当EMI-LC电路的输入处的电压高于确定的电压电平时，控制电路可以控制降压转换器电路的降压控制开关以启用降压转换器电路，并且当EMI-LC电路的输入处的电压处于或低于确定的电压电平时，控制电路可以控制降压转换器电路的降压控制开关以禁用降压转换器电路。控制电路可以包括脉冲宽度调制(PWM)控制电路，并且噪声源可以包括DC/DC开关功率转换器。EMI-LC电路可以进一步包括：瞬态限制电路，其包括线性调节器电路或开关调节器电路中的一个，其中在操作中，开关调节器电路利用差模EMI电感器和差模EMI电容器。
一种电磁干扰(EMI)滤波和线路调节(EMI-LC)电路，EMI-LC电路具有可耦合到输入电源的输出的输入和可耦合到噪声源的输入的输出，EMI-LC电路可以概括为包括：无源差模EMI滤波器电路，其包括差模EMI电感器和差模EMI电容器；无源共模EMI滤波器，其包括共模EMI电感器和至少两个旁路EMI电容器；升压转换器电路，其包括升压控制开关、升压输出开关、差模EMI电感器和差模EMI电容器；瞬态限制电路，其包括线性调节器电路或开关调节器电路中的一个，其中在操作中，开关调节器电路利用差模EMI电感器和差模EMI电容器；反馈电路，其可操作地耦合到EMI-LC电路的输入，以感测由输入电源在EMI-LC电路的输入处施加的输入电压电平；以及控制电路，其可操作地耦合到反馈电路以从反馈电路接收输入电压电平指示，并可操作地耦合到升压控制开关，控制电路至少部分地基于从反馈电路接收的输入电压电平指示，将升压控制开关控制为禁用升压转换器电路或启用升压转换器电路中的一个。
升压转换器电路的升压输出开关可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并且当升压转换器电路被禁用时，控制电路可以将升压转换器电路的升压输出开关控制为处于接通状态，并且当升压转换器电路被启用时，可以将升压转换器电路的升压输出开关控制为处于断开状态。升压转换器的升压输出开关可以包括二极管。
一种控制电磁干扰(EMI)滤波和线路调节(EMI-LC)电路的操作方法，EMI-LC电路具有可耦合到输入电源的输出的输入和可耦合到噪声源的输入的输出，EMI-LC电路可以概括为包括：无源差模EMI滤波器电路，其包括差模EMI电感器和差模EMI电容器；升压转换器电路，其包括升压控制开关、升压输出开关、差模EMI电感器和差模EMI电容器；反馈电路，其可操作地耦合到EMI-LC电路的输入，以感测EMI-LC电路的输入处的输入特性信息；以及控制电路，其可操作地耦合到反馈电路和升压控制开关，方法包括：在控制电路处从反馈电路接收输入特性信息；以及经由控制电路，至少部分地基于从反馈电路接收的输入特性信息，将升压控制开关控制为禁用升压转换器电路或启用升压转换器电路中的一个。
升压转换器电路的升压输出开关可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，方法可以进一步包括：当升压转换器电路被禁用时，经由控制电路，将升压转换器电路的升压输出开关控制为处于接通状态；以及当升压转换器电路被启用时，经由控制电路，将升压转换器电路的升压输出开关控制为处于断开状态。控制升压控制开关可以包括将脉冲宽度调制信号施加到升压控制开关的控制节点以启用升压转换器电路。控制升压控制开关可以包括将升压转换器电路的升压控制开关控制为处于断开状态以禁用升压转换器电路。控制升压转换器电路的升压控制开关以启用升压转换器电路可以包括当EMI-LC电路的输入处的电压低于确定的电压电平时，控制升压控制开关以启用升压转换器电路，并且控制升压转换器电路的升压控制开关以禁用升压转换器电路包括当EMI-LC电路的输入处的电压处于或高于确定的电压电平时，控制升压控制开关以禁用升压转换器电路。EMI-LC可以包括线性调节器电路，其耦合在EMI-LC电路的输入和EMI-LC电路的输出之间，线性调节器电路可以包括可控制的线性通过元件；并且控制电路可以可操作地耦合到线性通过元件，方法可以进一步包括：当EMI-LC电路的输入处的电压高于确定的电压电平时，经由控制电路控制线性通过元件以增加线性通过元件的电阻。EMI-LC电路可以包括降压转换器电路，其包括降压控制开关、降压分流开关、差模EMI电感器和差模EMI电容器；并且控制电路可以可操作地耦合到降压控制开关，方法可以进一步包括：经由控制电路，至少部分地基于从反馈电路接收的输入特性信息，将降压控制开关控制为禁用降压转换器电路或启用降压转换器电路中的一个。控制降压控制开关可以包括将脉冲宽度调制信号施加到降压控制开关的控制节点以启用降压转换器电路。控制降压控制开关可以包括将降压转换器电路的降压控制开关控制为处于接通状态以禁用降压转换器电路。控制降压控制开关以启用降压转换器电路可以包括当EMI-LC电路的输入处的电压高于确定的电压电平时，控制降压转换器电路的降压控制开关以启用降压转换器电路；并且控制降压控制开关以禁用降压转换器电路可以包括当EMI-LC电路的输入处的电压处于或低于确定的电压电平时，控制降压转换器电路的降压控制开关以禁用降压转换器电路。
附图说明
在附图中，相同的附图标记识别相似的元件或动作。附图中的元件的尺寸和相对位置不一定按比例绘制。例如，各种元件和角的形状不一定按比例绘制，并且这些元件中的一些可以被任意地放大和定位以提高绘图的易读性。此外，所绘制的元件的特定形状不一定意图传达关于特定元件的实际形状的任何信息，并且可以仅为了便于在附图中识别而被选择。
图1是耦合在输入电源和开关功率转换器之间的常规EMI滤波器的功能示意图。
图2是根据至少一个所示实施方案的耦合在输入电源和开关功率转换器之间的集成EMI滤波和线路调节模块的功能示意图，集成EMI滤波和线路调节模块包括EMI滤波器、升压转换器和线性调节器。
图3是根据至少一个所示实施方案的耦合在输入电源和开关功率转换器之间的集成EMI滤波和线路调节模块的功能示意图，集成EMI滤波和线路调节模块包括EMI滤波器、升压转换器和降压转换器。
图4是根据至少一个所示实施方案的耦合在输入电源和开关功率转换器之间的集成EMI滤波和线路调节模块的功能示意图，集成EMI滤波和线路调节模块包括具有双差模滤波器级的EMI滤波器、升压转换器和降压转换器。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了某些具体细节以提供对各种所公开的实施方案的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以不使用这些具体细节中的一个或多个或与其他方法、组件、材料等一起实施实施方案。在其他情况下，与各种实施方案相关联的公知结构未被详细地示出或描述，以避免不必要地使实施方案的描述模糊。
除非上下文另有要求，否则在整个说明书和所附权利要求中，词语“包含”与“包括”是同义的，并且是包容性的或开放式的(即，不排除附加的、未被引用的元件或方法动作)。
在本说明书中对“一个实施方案”或“实施方案”的引用意味着结合实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方案中。因此，贯穿本说明书的各个地方的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”的出现不一定都指代相同的实施方案。此外，特定特征、结构或特性可以用任何合适的方式组合在一个或多个实施方案中。
如本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”和“该”包括复数指示物，除非上下文另有明确规定。也应注意的是，术语“或”通常以其最广泛的意义使用，即，用作“和/或”的含义，除非上下文另有明确规定。
本文提供的本公开的标题和摘要仅为了方便起见，并不解释实施方案的范围或含义。
本公开的实施涉及用于将无源EMI滤波器的功能和特征与用于高侧线路瞬变的有源限制器和/或用于低侧线路瞬变的有源升压转换器集成的系统和方法。在稳态操作期间，有源电路被禁用，因此电路充当无源EMI滤波器。在稳态操作期间，在无源EMI滤波器中使用的电感和电容组件可以起双重作用，并且当输入电压低于低线稳态时成为升压转换器的一部分，并且在一些变化中，当输入电压高于高线稳态电平时，无源EMI滤波器的电感和电容组件可以成为瞬态限制器的一部分。
如下面进一步讨论的，瞬态限制器可以实施为在正常操作中饱和接通的线性通过元件(图2)，或实施为开关模式转换器，例如，降压调节器(图3)。
通过在稳态范围之外利用EMI滤波器进行其他用途，仅在稳态范围外操作时所需的其他动力传动功能可以集成到EMI滤波器中，这提供了体积和/或成本降低。
图2示出集成EMI滤波和线路调节(EMI-LC)模块或电路100的示意性功能图。例如，EMI-LC模块100可以位于输入电源106的输出端子102和104与开关功率转换器112(或其他下游噪声源)的输入端子108和110之间。
EMI-LC模块100包括单一共模滤波器级114，其包括共模电抗器或电感器LCM和两个旁路电容器CY1和CY2。EMI-LC模块100也包括单一差模滤波器级116，其包括差模EMI电感器LDM1和旁路电容器CX1。EMI-LC模块100耦合在开关功率转换器112(或其他噪声源)的输入端子108和110与输入电源106的输出端子102和104之间。功率转换器112产生共模噪声和差模噪声。EMI-LC模块100可以应用于各种隔离功率转换器，包括但不限于LLC谐振转换器、半桥转换器、全桥转换器、反激转换器、正向转换器、推挽转换器等。此外，EMI-LC模块也可以应用于各种非隔离功率转换器，包括但不限于降压开关转换器、升压开关转换器、降压-升压开关转换器等。
当差动电流(诸如开关功率转换器112的正常工作电流)通过共模EMI电感器LCM时，差动电流在共模EMI电感器LCM的两个绕组中抵消。因此，不存在共模EMI电感器LCM的核心的净磁化。因此，共模EMI电感器LCM对差动电流没有影响。相反，当共模噪声电流通过共模EMI电感器LCM时，共模噪声电流使共模EMI电感器LCM的核心磁化。因此，共模EMI电感器LCM显示出对共模噪声电流的高阻抗，以防止共模噪声电流污染输入电源。
两个共模旁路电容器CY1和CY2串联连接和耦合在功率转换器112的两个输入端子108和110之间。两个共模旁路电容器CY1和CY2的连接节点118耦合到地面。共模旁路电容器CY1和CY2抑制由功率转换器112产生的共模噪声。
差模电抗器或电感器LDM1耦合在共模EMI电感器LCM和功率转换器112的正输入端子108之间。差模EMI电感器LDM1抑制由功率转换器112产生的差模噪声。
差模旁路电容器CX1耦合在功率转换器112的输入端子108和110与差模EMI电感器LDM1之间，并且与共模旁路电容器CY1和CY2并联连接。
如图2中所示，第一开关S1耦合在输入电源106的正输出端子102和共模EMI电感器LCM之间。第二开关S2(其可以被称为分流开关或升压转换器开关)耦合在差模EMI电感器LDM1和第三开关S3之间的线路端子上，第三开关S3耦合在差模EMI电感器LDM1和开关功率转换器112的正输入端子108之间。开关S1、S2和S3各自耦合到控制器120(例如，脉冲宽度调制(PWM)控制器)，其操作以选择性地控制开关的打开和关闭。开关S1、S2和S3可以是任何类型的合适的开关，诸如无源半导体开关(例如，二极管)或有源半导体开关(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT))，或其一个或多个组合。
在一些实施中，反馈电路122可以耦合在EMI-LC模块100的输入端子上，这些输入端子耦合到输入电源106的输出端子102和104。反馈电路122检测EMI-LC模块的输入(即，输入电源106的输出端子102和104)处的输入特性信息(例如，电压)，并且向控制器120提供这种检测到的输入特性信息的指示。例如，反馈电路122可以包括一个或多个电阻器，其实施一个或多个分压器电路和/或一个或多个电流感测电路。控制器120可以利用检测的输入特性信息来调整对开关S1、S2和S3的控制。
通过添加三个开关S1、S2和S3以及控制器120，EMI-LC模块100可以执行提高低输入电压和限制高瞬态电压的功能。当来自输入电源106的输入电压处于稳态范围时，通过使第一开关S1和第三开关S3接通(即，关闭)并使第二开关S2断开(即，打开)，这些功能能够在正常操作中被禁用。因此，利用处于这些状态的开关S1、S2和S3，EMI-LC模块100充当常规EMI滤波器(EMI滤波器模式)，如上所述。
当输入电压上升到高于被设置为高于稳态电压(例如，28V)的设定点(例如，45V)时，第一开关S1可以用于在瞬态限幅/削波操作模式中实施线性调节器。即，控制器120以第一开关的线性模式操作第一开关S1，使得第一开关操作为与EMI-LC模块100的输出串联的可变电阻器。反馈电路122感测输入电压并将对感测到的输入电压的指示提供给控制器120，控制器120以第一开关的线性模式控制第一开关S1，以调节施加到第一开关S1的控制电压。用于使第一开关S1操作为线性调节器的设定点应被设置为高于输入电压的稳态范围但低于下游功率转换器112的瞬态极限。实际上，设定点可以设置为尽可能高，以限制瞬态模式下的耗散，但允许电路容差，因此最高输出总是低于功率转换器112或其他后续模块的瞬态极限。第一开关S1被示出为N沟道增强型MOSFET，但是该功能可以用不同类型的半导体开关(例如，双极结晶体管(BJT))或其他合适的组件来实施。
如图2中所示，第二开关S2被放置为跟随差模EMI电感器LDM1的分流器。在正常操作期间，第二开关S2由控制器120控制为断开。当输入电压被确定为低于稳态电压电平时，第二开关S2可以用作升压操作模式下的升压转换器的开关元件。升压转换器将差模EMI电感器LDM1用作升压电感器，并将差模EMI电容器CX1用作升压电容器。
当在升压模式下操作时，第一开关S1被控制为处于接通状态。第三开关S3被控制为处于断开状态(即，打开)，并且第三开关S3固有的体二极管124用作升压输出二极管。如上所述，当EMI-LC模块100不处于升压模式以降低功率耗散时，第三开关S3可以被接通。在一些实施中，可以在升压操作模式期间切换第三开关S3以操作为同步整流器，这可以降低功率消耗。
在升压操作模式下，控制器120向第二开关S2的栅极提供高频方波(例如，PWM信号)。在第二开关S2导通的接通时段期间，输入电流流过差模EMI电感器LDM1，并且经由第二开关S2直接返回到输入电源106的输出公共端子104，由此对差模EMI电感器LDM1周围的磁场充电。当第二开关S2被接通时，第三开关S3的体二极管124不会由于其阳极被重导电的第二开关S2保持在接地电位而导通。在接通时段的持续时间内，开关功率转换器112完全由在前一振荡器周期构成的差模电容器CX1上的电荷提供。
在第二开关S2的断开时段开始时，差模EMI电感器LDM1被充电，并且差模电容器CX1被部分放电。差模EMI电感器LDM1现在产生反电动势(emf)，其具有取决于第二开关S2切换时的电流变化率并且取决于EMI电感器LDM1拥有的电感量的值。在差模EMI电感器LDM1上的电压的极性现在相反，因此增加了输入电压，从而给出至少等于或大于输入电源电压的输出电压。第三开关S3的体二极管124现在正向偏压，因此电路电流提供功率转换器112，并且同时为差模EMI电容器CX1再充电以准备用于第二开关的下一个接通时段。
图3示出EMI-LC模块130的另一实施。EMI-LC模块130在许多方面类似于图2的EMI-LC模块100，因此为了简洁起见，这里仅讨论两个模块之间的差异。在该实施中，第一开关S1在开关模式下作为降压转换器操作，而不是作为线性调节器操作。在该实施中，第一开关S1位于共模滤波器级114之后。降压转换器使用差模EMI电感器LDM1作为降压电感器，使用差模电容器CX1作为降压输出电容器，以及放置在第一开关S1和差模EMI电感器LDM1之间的线路上的降压并联二极管132。例如，降压二极管132可以是肖特基型二极管。
现在描述当输入电压高于稳态电压时，降压模式下的EMI-LC模块130的操作。在降压模式下，第二开关S2继续断开，并且第三开关S3可以继续接通。第一开关S1通过来自控制器120的高频方波(例如，PWM信号)被接通和断开。当第一开关S1被接通时，电流流过差模EMI电感器LDM1，对其磁场充电，对差模EMI电容器CX1充电，并供给功率转换器112。降压二极管132由于其阴极上的正电压而被断开。
当控制器120断开第一开关S1时，初始电流源现在是差模EMI电感器LDM1。差模EMI电感器的LDM1磁场崩溃，产生反emf，其使差模EMI电感器上的电压的极性相反。该动作接通降压二极管132，使得电流流过第三开关S3到达功率转换器112。
因为电流由于差模EMI电感器LDM1的放电而减小，所以在第一开关S1的接通时段期间累积在差模EMI电容器CX1中的电荷现在也增加了流过功率转换器112的电流，从而在断开时段期间保持输出电压合理地恒定。这有助于使波纹振幅保持在最小值，并使输出电压接近设定值。
存在可以实施的EMI-LC模块130的一些变化。例如，一些设计可以利用双极晶体管而不是MOSFET。在高电压设计中，由于硅二极管的更高的反向电压能力，故硅二极管可以优先于肖特基型二极管被使用。在其他变化中，可以使用同步切换，其中代替使用简单地响应于二极管上的电压极性的二极管，由控制器120控制的同步MOSFETS执行切换。
控制器120也可以执行其他功能，诸如过电流和过电压保护，以及正常的振荡器和脉冲宽度调制功能以调节输出电压。
图4示出EMI-LC模块150的另一实施。EMI-LC模块150在许多方面分别类似于图2和图3的EMI-LC模块100和130，因此为了简洁起见，这里仅讨论差异。
在该实施中，EMI-LC模块150包括第二差模EMI滤波器级152，其串联耦合在共模EMI滤波器级114和(第一)差模EMI滤波器级116之间。类似于第一差模EMI滤波器级116，第二差模EMI滤波器级152包括第二差模EMI电感器LDM2和第二差模EMI电容器CX2。
通常，第二差模EMI滤波器级152(最接近输入电源106)具有较高的转角频率，而第一差模EMI滤波器级116具有较低的转角频率，因此具有较大的电感和电容值。在该配置中，第一级116的较大的电感器LDM1和电容器CX1可以是在升压模式和/或降压模式下用作开关模式转换器元件(升压和/或降压)的优选组件。额外的好处是即使在瞬态模式(即，非稳态模式)期间，较高频率的第二级电感器LDM2和电容器CX2仍然提供升压转换器和/或降压转换器的一些滤波。
EMI-LC模块也可以配置有超过一个差模或共模EMI滤波器级。一般来说，应该存在至少一个差模滤波器级，并且半导体器件应该被配置成分别在用于升压电感器和电容器的该级中利用差模EMI电感器和电容器。而且，如果使用降压转换器执行高侧瞬态限幅，则差模EMI电感器和差模EMI电容器分别用于降压电感器和降压输出电容器。
实际上，由于线性调节器的控制简单，并且由于在使用线性调节器时EMI滤波器仍然提供高瞬态的滤波功能，所以高侧限幅可能受益于使用线性调节器(图2)而不是降压转换器(图3)。尽管EMC兼容性在瞬态模式下无效，并且无法测量，但是预计可能会有系统噪声的问题，特别是在降压模式下，因为该模式至少在单级滤波器中在输入源处产生方波电流。相反，用于低瞬态电压的升压模式产生根据电感值和负载电流可以是连续的三角形输入电流，并且通常将有较少问题。
有利地，通过实施上述特征，与设计用于接受全输入范围的DC/DC转换的选项相比，DC/DC转换器可以针对效率和密度进行更好的优化。此外，本文讨论的实施允许使用具有更宽的输入要求且具有最小的附加尺寸和成本的现有的现成的DC/DC转换器模块。与具有EMI滤波器、升压转换器、高侧瞬态限幅器和DC/DC转换器的单独模块的选项相比，本文讨论的实施减少了物理模块的数量和其组合的尺寸和/或成本。
前面的详细描述已经通过使用方框图、原理图和示例来阐述器件和/或过程的各种实施。只要这些方框图、原理图和示例包含一个或多个功能和/或操作，本领域技术人员将会理解，这些方框图、流程图或示例内的每个功能和/或操作可以通过广泛的硬件、软件、固件或其几乎任何组合来单独地和/或集体地实施。
本领域技术人员将认识到，本文列出的许多方法或算法可以使用额外的动作，可以省略一些动作，和/或可以用与指定的不同的顺序执行动作。
可以组合上述各种实施以提供进一步的实施。在本说明书中提及的和/或在申请数据表中列出的所有美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物(包括但不限于美国专利申请序号14/632,818)以引用的方式整体并入本文。
根据上述详细描述，可以对实施进行这些和其他改变。一般来说，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的具体实施，而应被解释为包括所有可能的实施以及这些权利要求有权享有的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (30)

1.一种电磁干扰(EMI)滤波和线路调节(EMI-LC)电路，所述EMI-LC电路的输入能耦合到输入电源的输出，所述EMI-LC电路的输出能耦合到噪声源的输入，所述EMI-LC电路包括：
无源差模EMI滤波器电路，包括差模EMI电感器和差模EMI电容器；
升压转换器电路，包括升压控制开关、升压输出开关、所述差模EMI电感器和所述差模EMI电容器；
反馈电路，可操作地耦合到所述EMI-LC电路的输入，以感测所述EMI-LC电路的输入处的输入特性信息；以及
控制电路，可操作地耦合到所述反馈电路以从所述反馈电路接收所述输入特性信息并可操作地耦合到所述升压控制开关，所述控制电路至少部分地基于从所述反馈电路接收的所述输入特性信息，至少将所述升压控制开关控制为下述中的一者：禁用所述升压转换器电路或启用所述升压转换器电路。
2.根据权利要求1所述的EMI-LC电路，其中所述升压转换器电路的升压输出开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并且当所述升压转换器电路被禁用时，所述控制电路将所述升压转换器电路的升压输出开关控制为处于接通状态，并且当所述升压转换器电路被启用时，将所述升压转换器电路的升压输出开关控制为处于断开状态。
3.根据权利要求1所述的EMI-LC电路，其中所述升压转换器的升压输出开关包括二极管。
4.根据权利要求1所述的EMI-LC电路，进一步包括：
无源共模EMI滤波器，包括共模EMI电感器和至少两个旁路EMI电容器。
5.根据权利要求1所述的EMI-LC电路，其中所述控制电路将脉冲宽度调制信号施加到所述升压控制开关的控制节点以启用所述升压转换器电路。
6.根据权利要求1所述的EMI-LC电路，其中所述控制电路将所述升压转换器电路的升压控制开关控制为处于断开状态以禁用所述升压转换器电路。
7.根据权利要求1所述的EMI-LC电路，其中当所述EMI-LC电路的输入处的电压低于确定的电压电平时，所述控制电路控制所述升压转换器电路的升压控制开关以启用所述升压转换器电路，并且当所述EMI-LC电路的输入处的电压处于或高于所述确定的电压电平时，所述控制电路控制所述升压转换器电路的升压控制开关以禁用所述升压转换器电路。
8.根据权利要求1所述的EMI-LC电路，进一步包括：
耦合在所述EMI-LC电路的输入和所述EMI-LC电路的输出之间的线性调节器电路，所述线性调节器电路包括可控制的线性通过元件，
其中所述控制电路可操作地耦合到所述线性通过元件，并且当所述EMI-LC电路的输入处的电压高于确定的电压电平时，所述控制电路控制所述线性通过元件以增加所述线性通过元件的电阻。
9.根据权利要求8所述的EMI-LC电路，其中所述线性通过元件包括MOSFET或双极结晶体管(BJT)中的至少一个。
10.根据权利要求1所述的EMI-LC电路，进一步包括：
降压转换器电路，包括降压控制开关、降压分流开关、所述差模EMI电感器和所述差模EMI电容器，
其中控制电路可操作地耦合到所述降压控制开关，并且所述控制电路至少部分地基于从所述反馈电路接收的所述输入特性信息，将所述降压控制开关控制为下述中的一者：禁用所述降压转换器电路或启用所述降压转换器电路。
11.根据权利要求10所述的EMI-LC电路，其中所述升压转换器的降压分流开关包括二极管。
12.根据权利要求10所述的EMI-LC电路，进一步包括：
无源共模EMI滤波器，包括共模EMI电感器和至少两个旁路电容器。
13.根据权利要求10所述的EMI-LC电路，其中所述控制电路将脉冲宽度调制信号施加到所述降压控制开关的控制节点以启用所述降压转换器电路。
14.根据权利要求10所述的EMI-LC电路，其中所述控制电路将所述降压转换器电路的降压控制开关控制为处于接通状态以禁用所述降压转换器电路。
15.根据权利要求10所述的EMI-LC电路，其中当所述EMI-LC电路的输入处的电压高于确定的电压电平时，所述控制电路控制所述降压转换器电路的降压控制开关以启用所述降压转换器电路，并且当所述EMI-LC电路的输入处的电压处于或低于所述确定的电压电平时，所述控制电路控制所述降压转换器电路的降压控制开关以禁用所述降压转换器电路。
16.根据权利要求1所述的EMI-LC电路，其中所述控制电路包括脉冲宽度调制(PWM)控制电路，并且所述噪声源包括DC/DC开关功率转换器。
17.根据权利要求1所述的EMI-LC电路，进一步包括：
瞬态限制电路，包括线性调节器电路或开关调节器电路中的一个，其中在操作中，所述开关调节器电路利用所述差模EMI电感器和所述差模EMI电容器。
18.一种电磁干扰(EMI)滤波和线路调节(EMI-LC)电路，所述EMI-LC电路具有能耦合到输入电源的输出的输入和能耦合到噪声源的输入的输出，所述EMI-LC电路包括：
无源差模EMI滤波器电路，包括差模EMI电感器和差模EMI电容器；
无源共模EMI滤波器，包括共模EMI电感器和至少两个旁路EMI电容器；
升压转换器电路，包括升压控制开关、升压输出开关、所述差模EMI电感器和所述差模EMI电容器；
瞬态限制电路，包括线性调节器电路或开关调节器电路中的一个，其中在操作中，所述开关调节器电路利用所述差模EMI电感器和所述差模EMI电容器；
反馈电路，可操作地耦合到所述EMI-LC电路的输入，以感测由所述输入电源在所述EMI-LC电路的输入处施加的输入电压电平；以及
控制电路，可操作地耦合到所述反馈电路以从所述反馈电路接收输入电压电平指示，并且可操作地耦合到所述升压控制开关，所述控制电路至少部分地基于从所述反馈电路接收的所述输入电压电平指示，将所述升压控制开关控制为下述中的一者：禁用所述升压转换器电路或启用所述升压转换器电路。
19.根据权利要求18所述的EMI-LC电路，其中所述升压转换器电路的所述升压输出开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并且当所述升压转换器电路被禁用时，所述控制电路将所述升压转换器电路的升压输出开关控制为处于接通状态，并且当所述升压转换器电路被启用时，将所述升压转换器电路的升压输出开关控制为处于断开状态。
20.根据权利要求18所述的EMI-LC电路，其中所述升压转换器的升压输出开关包括二极管。
21.一种控制电磁干扰(EMI)滤波和线路调节(EMI-LC)电路的操作方法，所述EMI-LC电路具有能耦合到输入电源的输出的输入和能耦合到噪声源的输入的输出，所述EMI-LC电路包括：无源差模EMI滤波器电路，所述无源差模EMI滤波器电路包括差模EMI电感器和差模EMI电容器；升压转换器电路，所述升压转换器电路包括升压控制开关、升压输出开关、所述差模EMI电感器和所述差模EMI电容器；反馈电路，可操作地耦合到所述EMI-LC电路的输入，以感测所述EMI-LC电路的输入处的输入特性信息；以及控制电路，可操作地耦合到所述反馈电路和所述升压控制开关，所述方法包括：
在所述控制电路处从所述反馈电路接收所述输入特性信息；以及
经由所述控制电路，至少部分地基于从所述反馈电路接收的所述输入特性信息，将所述升压控制开关控制为下述中的一者：禁用所述升压转换器电路或启用所述升压转换器电路。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述升压转换器电路的升压输出开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，所述方法进一步包括：
当所述升压转换器电路被禁用时，通过所述控制电路，将所述升压转换器电路的升压输出开关控制为处于接通状态；以及
当所述升压转换器电路被启用时，通过所述控制电路，将所述升压转换器电路的升压输出开关控制为处于断开状态。
23.根据权利要求21所述的方法，其中控制所述升压控制开关包括将脉冲宽度调制信号施加到所述升压控制开关的控制节点以启用所述升压转换器电路。
24.根据权利要求21所述的方法，其中控制所述升压控制开关包括将所述升压转换器电路的升压控制开关控制为处于断开状态以禁用所述升压转换器电路。
25.根据权利要求21所述的方法，其中控制所述升压转换器电路的升压控制开关以启用所述升压转换器电路包括当所述EMI-LC电路的输入处的电压低于确定的电压电平时，控制所述升压控制开关以启用所述升压转换器电路，并且控制所述升压转换器电路的升压控制开关以禁用所述升压转换器电路包括当所述EMI-LC电路的输入处的电压处于或高于所述确定的电压电平时，控制所述升压控制开关以禁用所述升压转换器电路。
26.根据权利要求21所述的方法，其中所述EMI-LC包括耦合在所述EMI-LC电路的输入和所述EMI-LC电路的输出之间的线性调节器电路，所述线性调节器电路包括可控制的线性通过元件；并且所述控制电路可操作地耦合到所述线性通过元件，所述方法进一步包括：
当所述EMI-LC电路的输入处的电压高于确定的电压电平时，经由所述控制电路控制所述线性通过元件以增加所述线性通过元件的电阻。
27.根据权利要求21所述的方法，其中所述EMI-LC电路包括降压转换器电路，所述降压转换器电路包括降压控制开关、降压分流开关、所述差模EMI电感器和所述差模EMI电容器；并且所述控制电路可操作地耦合到所述降压控制开关，所述方法进一步包括：
经由所述控制电路，至少部分地基于从所述反馈电路接收的所述输入特性信息，将所述降压控制开关控制为下述中的一者：禁用所述降压转换器电路或启用所述降压转换器电路。
28.根据权利要求27所述的方法，其中控制所述降压控制开关包括将脉冲宽度调制信号施加到所述降压控制开关的控制节点以启用所述降压转换器电路。
29.根据权利要求27所述的方法，其中控制所述降压控制开关包括将所述降压转换器电路的降压控制开关控制为处于接通状态以禁用所述降压转换器电路。
30.根据权利要求27所述的方法，其中控制所述降压控制开关以启用所述降压转换器电路包括当所述EMI-LC电路的输入处的电压高于确定的电压电平时，控制所述降压转换器电路的降压控制开关以启用所述降压转换器电路；并且
控制所述降压控制开关以禁用所述降压转换器电路包括当所述EMI-LC电路的输入处的电压处于或低于所述确定的电压电平时，控制所述降压转换器电路的降压控制开关以禁用所述降压转换器电路。
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