CN100481696C - 低可听噪音电源方法及其控制器 - Google Patents

Abstract

一种形成电源系统控制器的方法，包括连接一个PWM控制器，以接收随着时间间隔增大的非对称参考信号，并且作为响应产生一组驱动脉冲，其中所述驱动脉冲具有适合于形成具有非对称信号包络的一组电流脉冲的越来越大的宽度，其中所述非对称信号包络的值响应于所述非对称参考信号的增大而增大。

Description

低可听噪音电源方法及其控制器

技术领域

本发明一般地涉及电子学，尤其涉及形成半导体器件和结构的方法。

背景技术

在过去，半导体行业利用各种方法和电路来实现开关电源系统和控制器。为了使功率耗散达到最小，一些实现将以较低的频率开关功率晶体管或者可能甚至以短的突发接通和切断功率晶体管。使功率耗散达到最小的一些这种实现在2001年6月26日颁发给Dong-Young等人的美国专利6,252,783号中公开。

这种实现的一个问题是典型地在大约二十到两万(20-20,000)Hz频率范围内的可听噪音。当功率晶体管的开关频率减小时，它经常产生在可听频率范围内的噪音。可听噪音经常是讨厌的并且变成对电源使用者的损害。

因此，期望具有一种开关电源，其具有减小的功率耗散并且使得可听噪音达到最小。

附图说明

图1示意地说明具有根据本发明的电源控制器的电源系统的一种实施方案的一部分；

图2是说明图1根据本发明的电源控制器的信号和操作序列的一部分的时序图的图；

图3示意地说明具有根据本发明的电源控制器的电源系统的另一种实施方案的一部分；

图4是说明在先前电源控制器中存在的一些信号的时序图的图；以及

图5示意地说明包括根据本发明的电源控制器的半导体器件的放大平面图。

为了说明的简化和清楚，图中的元件不一定按照比例，并且不同图中相同的参考数字表示相同的元件。另外，众所周知的步骤和元件的描述和细节为了描述的简化而省略。如这里使用的，载流电极意思是传送通过器件的电流的器件元件例如MOS晶体管的源极或漏极或者双极型晶体管的发射极或集电极，并且控制电极意思是控制通过器件的电流的器件元件例如MOS晶体管的栅极或双极型晶体管的基极。

具体实施方式

图1示意地说明电源系统10的一部分的一种实施方案，其包括在控制器21和系统10操作期间使可听噪音达到最小的电源控制器21。其他组件典型地从外部连接到控制器21以便提供系统10的功能性。例如，从ac电源例如家用电源接收源电压的桥式整流器11，变压器12，阻塞二极管13，储能电容器14，输出晶体管47，反馈网络18，以及电流感测电阻器19典型地从外部连接到控制器21。晶体管47典型地是串联在变压器12的初级线圈的一个铁心与电阻器19之间的开关功率晶体管，虽然在一些实施方案中晶体管47和电阻器19可以包括在控制器21中。变压器12典型地包括次级绕组80，其与偏压电阻器81，阻塞二极管85，以及存储电容器82一起用来提供操作控制器21的电源。控制器21接收电压输入61和电压返回64之间的电源，并且系统10在输出端子或输出16和17之间提供输出电压。负载15典型地连接在输出16和17之间以除输出电压之外从系统10接收负载电流。

控制器21具有连接到激励晶体管47的输出65。电流感测电阻器19串联在晶体管47和返回64之间以在节点67处提供电流感测(CS)信号，其是代表流过晶体管47的开关电流48特征的电压。电流感测(CS)信号由控制器21在电流感测(CS)输入62上接收。反馈网络18典型地是提供代表输出16和17之间输出电压特征的电流68的光耦合器。光耦合器典型地具有连接在输出16与到参考电压的连接20之间的发光二极管，以及具有连接到控制器21的反馈(FB)输入63的集电极和连接到返回64的发射极的光敏晶体管。在连接20处接收的参考电压被选择，使得参考电压的值和跨越网络18的二极管的电压降近似地等于输出16和17之间的输出电压的额定值。例如，参考电压可以是连接在输出17和连接20之间的齐纳二极管。电流68由控制器21接收并且由电阻器25在输入63转换成FB电压。网络18的光耦合器和电阻器25反转FB电压的操作使得FB电压随着输出电压降低而升高，反之亦然。反馈网络18也可以是包括串联电阻器的多种众所周知反馈电路的任何一种。变压器12，电容器14，二极管13和网络18所示帮助描述控制器21的操作。在大多数实施方案中，网络18，晶体管47，变压器12，电容器14，以及二极管13在控制器21形成于其上的半导体芯片的外部。

控制器21包括脉宽调制(PWM)控制器或PWM 22，参考信号发生器或参考26，信号包络控制块40，和内部调节器23。控制器21也可以包括其他电路来为控制器21提供另外的功能性，例如欠压锁定(UVLO)电路24，前沿消隐电路(LEB)27，UVLO控制逻辑OR门44，以及晶体管驱动器46。其他众所周知的功能例如软起动和过电压保护也可以包括在控制器21中。调节器23为控制器21内的元件，包括PWM 22，块40，UVLO电路24，和LEB27，提供工作电压。虽然为了附图的简单而没有显示，调节器23连接在输入61和返回64之间以接收施加到输入61的输入电压。PWM 22包括以周期性速率提供时钟信号的时钟发生器或时钟41，复位支配RS锁存器42，突发模式比较器39，PWM比较器34，和逻辑控制OR门43。

控制器21被形成，以在这里称作正常模式和突发模式的至少两种不同的稳定调节模式来操作，并且响应负载电流变化在这两种模式之间转换。比较器39的输出用来响应FB电压从第一值变成第二值而在正常和突发工作模式之间切换控制器21。在正常模式中，控制器21将输出电压调节到期望输出电压值，同时提供正常平均负载电流到负载15。为了简化它，PWM 22提供周期性的驱动脉冲到晶体管47。PWM 22响应FB电压和CS信号的值控制驱动脉冲的持续时间或宽度，相应地控制开关电流48的持续时间和幅度。在轻负载的情况下，负载15所需的负载电流可能降低。在这种情况下，减少到晶体管47的驱动脉冲的数目以便提高系统10的功效可能是期望的。控制器21被形成以检测这种轻负载条件并且将控制器21的工作模式变成突发模式。在突发模式中，控制器21响应负载15所需的降低的负载电流而减小提供到负载15的负载电流的平均值，但是继续将输出电压调节到期望的输出电压值。在突发模式中，控制器21提供多组驱动脉冲到晶体管47并且控制每组内驱动脉冲的宽度，以对开关电流48的相应多组脉冲的每组形成非对称信号包络，以便减小可听噪音。

图2是具有说明在控制器21操作期间产生的一些信号的曲线的图。横坐标表示时间而纵坐标表示电流或电压的值。曲线71表示如在下文进一步说明的移位FB电压的值，而曲线72表示响应在控制器21的输出65产生的驱动脉冲而流过晶体管47的开关电流48。曲线73表示当PWM 22以突发模式工作时产生的开关电流48的信号包络。曲线74表示在比较器34的反相输入上接收的FB参考电压的值。在时间T0和T1之间，控制器21以正常模式调节。T1和T2之间的时间是控制器21响应负载电流变化从正常模式切换成突发模式的渡越时间。在时间T2和T7之间，控制器21以突发模式调节。在时间T2到T3，T4到T5，以及T6到T7期间，控制器21以突发模式跳跃脉冲。在时间T7和T8之间，控制器21处于响应负载电流变化在以突发模式调节和以正常模式调节之间的转换中。在时间T8之后，控制器21以正常模式调节。注意，曲线73说明突发模式期间的信号包络，因此，在时间T0-T1和T7-T8之间不存在波形。

该描述参考图1和图2。图1中说明的示范实施方案特别是块40的实施方案用于控制器21的操作的描述，但是，其他实施方案可以使用不同的实现来获得如在下文描述操作的突发模式期间开关电流48的期望非对称信号包络。块40包括包络发生器59，箝位参考28，和并联调节器箝位电路36。包络发生器59形成以在输出60上产生包络线信号。包络线信号用来控制当控制器21以突发模式工作时开关电流48的波形或信号包络。在优选实施方案中，发生器59包括偏压晶体管56，输出晶体管54，时序电容器53，控制晶体管49，以及连接在电流反射镜配置中的电流反射镜晶体管51和52。箝位参考28优选地包括跟随晶体管31和下拉电阻33。并联调节器箝位电路36优选地包括连接在并联调节器配置中的放大器37和晶体管38。其他电路配置可以用来实现块40，只要实施方案在操作的突发模式期间实现开关电流48的非对称信号包络。

参考26在控制器21的操作中使用的三个独立输出上提供三个参考电压，Vref1～Vref3。Vref1是由发生器59接收以在发生器59中提供偏流的偏压，也可以用来提供为了附图简单而没有显示的其他偏流。Vref3由比较器39接收并且用来设置控制器21开始以突发模式工作的临界电压，如下文进一步看到的。Vref2由参考28使用以设置信号包络的最大值，如下文进一步看到的。典型地，Vref2具有比Vref3高的电压值。

在以正常模式操作期间，输出16和17之间的输出电压接近第一值或期望工作输出电压值。在输入63上接收的作为结果的FB电压的值通过电阻器83和84移位以产生移位FB电压。输出电压的期望值由移位FB电压和CS信号建立。对于到负载15的正常负载电流，移位FB电压的期望值典型地在Vref2和Vref3之间。因为FB电压大于Vref3，比较器39的输出为低。比较器39的低输出由门43接收并且允许PWM比较器34的输出通过门43控制锁存器42。比较器39的低输出也通过经由反相器57禁止晶体管49而使能包络发生器59。因此，输出60上的包络线信号为高。高包络线信号在参考28的控制输入30上接收并且相应地使能晶体管31。参考28作为响应将Vref2连接到参考28的输出29以在输出29上产生近似等于Vref2的包络控制信号。箝位电路36接收来自参考28的包络控制信号以及移位FB电压，并且作为响应在输出35上产生FB参考电压。因为放大器37和晶体管38作为并联调节器连接，只要包络控制信号大于移位FB电压，箝位电路36形成近似等于移位FB电压的FB参考电压，因此，输出35上的FB参考电压近似等于移位FB电压，如时间T0和T2之间由曲线74说明的。万一输出16上短路或其他故障，箝位电路36保证FB参考电压的值绝不大于Vref2，从而限制峰值开关电流，以便防止损坏系统10。

时钟41提供时钟脉冲，其设置锁存器42并且通过驱动器46使能或导通晶体管47使得电流48流过晶体管47并产生CS信号。当输入62上的CS信号的值增加到等于输出35上FB参考电压的值时，PWM比较器34的输出变高以复位锁存器42并且断开或禁止晶体管47。这由时间T0和T2之间的曲线72说明。时间T0和T2之间曲线72中电流48的每个脉冲在时钟41设置锁存器42时开始。晶体管47的每个驱动脉冲的宽度，从而开关电流48的每个脉冲的宽度和作为结果的幅度由FB参考电压和CS信号的值设置。输出65上驱动脉冲的宽度越大，开关电流48以及到负载15和电容器14的组合的负载电流的幅度和宽度越大。

当轻负载条件出现时，由负载15使用的负载电流的量减小。因为通过系统10的时间延迟，PWM 22暂时继续提供较大的负载电流，引起输出16上输出电压从第一值或期望值到第二值的相应增加，导致电流68的增加和输入63处FB电压的相应降低。当FB电压降低到比较器39的临界值或第二电压值时，比较器39的输出驱动为高，指示突发模式操作的开始。移位FB电压典型地降低到不大于Vref3的临界值，如时间T2由曲线71说明的。在突发模式中，PWM 22将晶体管47的驱动脉冲和电流48的相应脉冲分组成多个组，电流48的每组脉冲具有非对称信号包络。每组中电流48的信号包络形状和脉冲幅度由发生器59形成的包络线信号的形状控制。在优选实施方案中，发生器59产生坡道或斜坡或三角形非对称波形，其随着时间的过去从初始值增加到较大的值然后快速减小回到初始值。因此，PWM 22被连接以从块40接收非对称参考电压，作为响应产生一组驱动脉冲，其具有适合于形成具有非对称信号包络的电流48的一组脉冲的宽度。箝位参考28形成以接收包络线信号的非对称波形，并且作为响应在输出29上产生跟随来自发生器59的包络线信号波形的包络控制信号。箝位电路36接收包络控制信号和移位FB电压，并且作为响应在输出35上产生与由发生器59形成的包络线信号具有相同波形的FB参考电压。该三角形或坡道形的非对称波形用来控制输出65上驱动脉冲的宽度以及电流48的脉冲的相应信号包络、宽度和幅度。图1中说明的发生器59的具体实现是能够产生电流48的优选非对称信号包络的电路的一个实例。但是，应当注意，其他电路可以用来形成优选信号包络，并且其他非对称形状的信号包络可以使用。非对称波形易于减小突发模式操作期间的可听噪音。每组电流脉冲中电流48的每个脉冲在锁存器42由时钟41设置时开始，并且当CS信号和FB参考电压的值使得比较器34的输出变高时结束。

对于图1和图2中说明的实例实施方案，在时间T2，FB电压减小到小于Vref3的值并且驱动比较器39的输出为高。比较器39的输出经由门43复位锁存器42以终止输出65上的驱动脉冲。该高也通过反相器57使能晶体管49，使得电流流过晶体管49并且将节点58拉低。输出60从而驱动到晶体管54的栅极-源极电压。参考28和输出29的跟随晶体管31的源电压跟随晶体管54的源电压并且通过电阻器33拉低。输出29上的低强迫输出35上的FB参考电压为低。当FB电压增加到等于或大于Vref3的值时，如时间T3时说明的，比较器39的输出变低。该低使得比较器34控制门43和锁存器42，并且也断开发生器59的晶体管49以开始充电电容器53。随着电容器53充电，输出60从近似等于返64加上晶体管54的Vgs的低值增加到Vref2的值。晶体管54的Vgs移位输出60上的包络线信号的电平以补偿跟随晶体管31的Vgs降。因此，输出29上的电压近似等于节点58上的电压。输出29从近似等于返回64的低值增加到Vref2的值。因为放大器37和晶体管38作为并联调节器而连接并且包络控制信号低于移位FB电压，输出35上的FB参考电压相应地从近似等于返回64的低值增加到Vref2的值，如时间T3和T4之间由曲线74说明的。因此，输出35上的FB参考电压跟随输出60上的包络线信号的波形。

时钟41的每个时钟脉冲设置锁存器42从而使能晶体管47并引起电流48的脉冲，除非锁存器42由门43保持复位。来自节点67的相应CS信号由比较器34接收。当CS信号的值增加到输出35上FB参考电压的值时，比较器34的输出变高，复位锁存器42。FB参考电压继续增加，因此，来自时钟41的下一个时钟脉冲产生因FB参考电压的增加值而具有更长持续时间的电流48的另一个脉冲。随着FB参考电压增加，电流48的每个连续脉冲流动更长的一段时间，从而根据公式(V/L)＝(dI/dT)获得更大的幅度，其中V是跨越变压器12的初级电感的电压，L是初级电感的值，dI是初级电流48中峰到峰的变化，而dT是时间变化，如时间T3和T4之间由曲线72说明的脉冲组内电流48的脉冲所说明的。在时间T4，FB电压减小到小于Vref3的值，并且比较器39的输出再次变低。比较器39的低输出通过门43复位锁存器42并且终止电流48的脉冲。比较器39的低输出也使能晶体管49，其驱动节点58为低。电阻器33作为响应将输出29拉低，因为跟随晶体管31的源极跟随节点58，使得输出35也变低并且驱动比较器34的输出为高，保证晶体管47被禁止。因此，可以看到，在突发模式期间，来自发生器59的包络线信号的波形，从而输出35上FB参考电压的幅度和波形，控制电流48的每个脉冲的幅度，如T3和T4之间由曲线72所示。随着输出60上包络线信号的幅度增加，电流48的每个连续脉冲的幅度也增加。因此，电流48的脉冲的幅度以及信号包络的作为结果的波形由非对称FB参考电压的幅度和形状来控制。

每当FB电压增加到比较器39的临界值使得控制器21产生电流48的另一组脉冲时，如时间T5和T6之间说明的，序列重复。典型地，组彼此间隔至少近似等于时钟41的一个脉冲的周期的时间段。

如果负载15开始需要更多的电源，输出电压降低，引起FB电压的相应升高。增加的FB电压保持比较器39的输出为低，使得发生器59的输出60的值增加，随着电容器53充电到来自调节器23的工作电压。输出35上的FB参考电压相应地增加到Vref2，直到到达移位FB电压的值，如时间T7之后由曲线74说明的。只要FB电压保持大于Vref3，比较器39的输出保持为低并且FB参考电压继续增加，直到输出29上的包络控制信号大于移位FB电压。那时，FB参考电压开始跟随移位FB电压。如果移位FB电压的值大于Vref2，例如输出16和17之间发生短路，箝位电路36会将FB参考电压的值箝位到Vref2。虚线延伸说明电容器53的继续充电和输出60。

为了便于控制器21的该功能性，晶体管56的栅极连接到参考26的Vref1输出，晶体管56的源极连接到调节器23的输出，并且漏极共同地连接到输出60以及晶体管54的漏极和栅极。晶体管54的源极共同地连接到晶体管52的漏极以及电容器53的第一端子。电容器53的第二端子共同地连接到晶体管51的漏极和栅极以及晶体管52的栅极。晶体管51和52的源极共同地连接到返回64。晶体管49具有连接到晶体管56源极的源极，连接到电容器53的第二端子的漏极，以及连接到反相器57的输出的栅极。反相器57的输入共同地连接到比较器39的输出以及门43的第一输入。比较器39的非反相输入连接到参考26的Vref3输出。比较器39的反相输入连接到输入63，电阻器25的第一端子，以及电阻器83的第一端子。电阻器25的第二端子共同地连接到调节器23的输出。电阻器83的第二端子共同地连接到放大器37的非反相输入，电阻器84的第一端子，以及晶体管38的漏极。电阻器84的第二端子和晶体管38的源极共同地连接到返回64。放大器37的输出连接到晶体管38的栅极。晶体管38的漏极连接到输出35和到比较器34的反相输入。放大器37的反相输入共同地连接到电阻器33的第一端子和晶体管31的源极。电阻器33的第二端子连接到返回64。晶体管31的漏极连接到参考26的Vref2输出，并且栅极连接到输入30和到输出60。比较器34的非反相输入连接以通过LEB 27从输入62接收CS信号。比较器34的输出连接到门43的第二输入，并且门43的输出连接到锁存器42的复位输入。锁存器42的设置输入连接到时钟41的输出并且锁存器42的反相输出通过门44连接到驱动器46的输入。驱动器46的输出连接到输出65。在一些实施方案中，输出65连接到晶体管47的栅极。在一些实施方案中，发生器59可以是控制器21的软起动电路的一部分。

图3示意地说明作为图1中所示系统10的备选实施方案的电源系统95的一部分的实施方案。系统95包括作为电压模式控制器操作控制器21的PWM控制器或PWM 97。PWM 97包括时钟96，其除了由时钟96提供的时钟信号之外提供斜坡信号。在操作的正常模式中，斜坡信号由PWM 97使用来提供PWM电压模式调节。这种电压模式调节在本领域中众所周知。在突发模式中，FB参考电压控制电流48的信号包络。

图4是具有说明典型先前控制器操作期间产生的信号中一些的曲线的图。横坐标表示时间而纵坐标表示值。曲线76表示反馈电压的值而曲线77表示响应相应反馈电压而产生的开关电流脉冲。曲线78表示在跳跃周期模式中产生的开关电流脉冲的信号包络。如在时间T2和T3之间看到的，先前控制器产生具有由FB电压幅度控制的幅度的许多开关电流脉冲，然后跳跃周期直到输出电压再次降低并且需要另一组开关电流脉冲的时间T4。该操作继续并重复，只要反馈电压在临界电压之下。曲线78指示由在跳跃周期模式中产生的每组脉冲产生的信号包络的形状。容易看到，由多组驱动脉冲产生的信号包络具有一种形状，该形状具有垂直或正方形边缘并且关于中点近似对称，对于图4中所示的实例，并且几乎是矩形波形。

由经由傅立叶变换的数学分析可以显示，图4中曲线78所示的对称信号包络的矩形形状产生具有比由控制器21产生的非对称信号包络产生的音频范围信号更大幅度的音频范围内的信号。另外，数学分析也显示，图4中曲线78所示的对称信号包络的矩形形状产生比由控制器21产生的非对称信号包络更高的频率谐波。减小较高的频率谐波导致更简单且成本更低的滤波，从而减小系统成本。

图5示意地说明在半导体芯片91上形成的半导体器件90的实施方案的一部分的放大平面图。控制器21形成在芯片91上。芯片91也可以包括为了附图简单而在图5中没有显示的其他电路。控制器21由对本领域技术人员众所周知的半导体制造技术形成在芯片91上。

考虑到上面全部，显然公开一种新的器件和方法。尤其包括的特征是形成电源控制器以产生到晶体管的一组驱动脉冲，其作为响应形成具有非对称包络线信号包络的一组电流脉冲。非对称包络导致比其他信号包络更少的可听噪音和更低的幅度谐波。

虽然本发明使用具体的优选实施方案来描述，显然许多备选方案和变化将对半导体领域的技术人员明显。更具体地说，本发明已经对于特定的信号包络控制块实施方案以及对于到PWM控制部分的特定连接而描述，虽然该方法可直接适用于产生非对称信号包络的其他实施方案。

Claims (10)

1.一种形成电源系统控制器的方法，包括：

连接一个PWM控制器以接收随着时间间隔增大的非对称参考信号，并且作为响应产生一组驱动脉冲，其中所述驱动脉冲具有适合于形成具有非对称信号包络的一组电流脉冲的越来越大的宽度，其中所述非对称信号包络的值响应于所述非对称参考信号的增大而增大。

2.根据权利要求1的方法，还包括连接一个控制块以响应于代表输出电压的控制信号从第一值增加到第二值而产生非对称参考信号。

3.根据权利要求2的方法，其中连接控制块以产生非对称参考信号包括连接控制块以产生三角形参考信号。

4.根据权利要求3的方法，其中连接控制块以产生三角形参考信号包括连接控制块以产生具有垂直切断的三角形参考信号。

5.根据权利要求1的方法，其中连接PWM控制器以接收非对称参考信号包括连接PWM控制器的比较器以接收非对称参考信号。

6.根据权利要求1的方法，其中连接PWM控制器以接收非对称参考信号并且作为响应产生一组驱动脉冲包括连接PWM控制器以接收非对称参考信号并且作为响应以比该组内前一个驱动脉冲大的宽度产生该组内除了初始驱动脉冲之外的每个驱动脉冲。

7.根据权利要求1的方法，其中连接PWM控制器以接收非对称参考信号包括连接PWM控制器以接收非对称参考电压。

8.一种操作电源的方法，包括：

将电源控制器的输出驱动脉冲组织成多个具有多个驱动脉冲的组，其中这多个组在时间上彼此间隔；以及

在至少一组内形成多个驱动脉冲，以为电流产生非对称信号包络，其中所述非对称信号包络的至少一部分的幅度响应于连续的电流脉冲的幅度的增大而增大。

9.一种电源控制器半导体器件，包括：

控制块，被连接以产生非对称参考信号；以及

PWM控制器，被连接以接收值增大的非对称参考信号并且作为响应产生一组驱动脉冲，其中所述驱动脉冲具有适合于产生幅度增大的非对称信号包络的越来越大的宽度。

10.根据权利要求9的电源控制器半导体器件，其中被连接以接收非对称参考信号并且作为响应产生一组驱动脉冲的PWM控制器包括被连接以作为响应产生这组驱动脉冲的PWM控制器，其中该组驱动脉冲具有适合于产生通过接收该组驱动脉冲的晶体管的电流的非对称信号包络的宽度。

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