CN101183829B - 开关电源中减小声频的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种开关电源的开关的设备和方法。根据本发明的方面，一种方法包括控制开关电源的开关，以在开关操作循环内接通和切断。该开关操作循环具有基本固定周期。通过无开关的时间，将一组连续的开关操作循环与下一组连续的开关操作循环分离。每一组连续的开关操作循环具有两个或更多开关操作循环的至少预定最小值。在闭环内调节无开关的时间，以调整开关电源的输出。

Description

开关电源中减小声频的方法和设备
技术领域
本发明通常涉及电源，尤其涉及开关调节器。
背景技术
电子设备使用电源进行操作。在许多今天的电子设备中，通常由于开关模式电源的高效率和它们对功率的好的输出调节而被使用。在一种公知的开关电源中，使用开关模式电源控制电路可以将低频(例如50或60Hz电源频率)，高压交流电流(AC)转化为高频(例如30到300kHz)AC。这种高频、高压AC被应用到变压器，以将电压通常转化为更低的电压，并且提供安全隔离。变压器的输出被整流以提供调整的DC输出，该调整的DC输出可以用于为电子设备提供功率。开关模式电源控制电路通常通过在闭环中检测输出并且控制所述输出来提供输出调节。
开关电源的设计是对效率、尺寸、重量和成本的矛盾需求的一种折衷设计。提供额定输出功率的最佳解决方案通常将开关频率设为比20kHz更高，超出人类听觉的范围。
调节的需要要求电源在诸如备用负载的低负载处以高频运行，并且在无负载时消耗非常低的功率。当电源提供比它的额定功率小的多的功率时，电源中的能量损耗受来自开关动作的损耗控制。因此，对于电源来说，当输出功率低得可以减少主要损耗时，在更低的开关频率上操作是必须的。当减少负载以保持高效时，开关频率可以线性减小。在低功率上的最佳开关频率通常落在20kHz以下的声频带内。由于机械共振，声频带内的开关会在电源组件例如变压器和陶瓷电容器内产生不受欢迎的声频噪音。
一种可以减少开关损耗并提高在轻负载处的效率的公知技术是，在轻负载处以触发模式(burst mode)操作电源。触发模式操作允许电源在高的开关频率上开关不受控制数量的连续的开关操作循环，后面有一个在闭环中无开关调节的持续期间，以调整输出。因此，减少了平均开关频率，以保持在轻负载上的高效率。触发模式开关的不良特性就是，对于给定的一组操作条件，不管是处于触发中的连续的高频开关操作循环的数量，还是在触发之间无开关的连续的循环的数量，都未被确定。触发模式操作的不确定特性导致了未受控制的声频噪音的危害。实际上，由于更高的声频能量内容，如果后面跟有无开关期间的连续开关操作循环的持续时间的重复频率处在声频，则声频噪音比只线性减少频率的情况更糟，如前面描述的。声频噪音是使用触发模式操作用来改进轻负载效率和减少无负载消耗的主要缺点。
在开关电源中的其中一个最麻烦的噪音源是变压器。在开关电源中通常应用的铁氧体磁心变压器倾向于具有8kHz到15kHz范围的机械共振频率。一些陶瓷电容器，尤其是使用在箝位电路中与行逆程高压电源中的变压器的初级绕组连接的那些陶瓷电容器还可以在这样的声频上共振。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于调整开关电源的方法，所述方法包括：控制所述开关电源的开关在开关操作循环内接通和切断，该开关操作循环具有基本固定周期；通过无开关的时间将一组连续的开关操作循环与下一组连续的开关操作循环分离，使得每一组连续的开关操作循环都具有至少预定最小数量的两个或更多开关操作循环；以及在闭环中调节所述无开关的时间的持续时间，以调整开关电源的输出。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于调整开关电源的方法，所述方法包括：在第一操作模式下控制开关以在开关操作循环内导通，该开关操作循环具有周期；调节开关导通的占空比，以在第一操作模式下调节所述开关电源的输出；在第二操作模式下控制该开关以在开关操作循环内导通，使得通过无开关的时间将一组连续的开关操作循环与下一组连续的开关操作循环分离，并且每一组连续的开关操作循环都具有至少预定最小数量的两个或更多基本固定周期的开关操作循环；以及调节无开关的时间的持续时间，以在第二操作模式下调整开关电源的输出。
根据本发明的另一个方面，提供了一种开关电源设备，包括：耦接到电源的能量传输元件的开关；以及耦接到开关的控制器，控制在开关操作循环内开关的接通和切断，该开关操作循环具有基本固定周期，其中所述控制器通过无开关的时间将每一组连续的开关操作循环与下一组连续的开关操作循环分离，使得每一组连续的开关操作循环具有至少预定最小数量的两个或更多开关操作循环，其中通过调节无开关的时间的持续时间，在闭环中调整从电源输入到电源输出的能量传输。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于调整开关电源的方法，所述方法包括：控制所述开关电源的开关在开关操作循环内接通和切断，该开关操作循环具有周期；通过无开关的时间，将至少一组预定数量的两个或更多连续的开关操作循环与下一组预定数量的两个或更多连续的开关操作循环分离；以及在闭环中调节无开关的时间的持续时间，以调整开关电源的输出。
根据本发明的另一个方面，提供了一种开关电源设备，包括：耦接到电源的能量传输元件的开关；以及控制器，耦接到所述开关以在开关操作循环内控制开关的接通和切断，其中所述控制器通过无开关的时间将每一组具有预定数量的两个或更多连续的开关操作循环与下一组具有预定数量的两个或更多连续的开关操作循环分离，其中在闭环内调节无开关的时间的持续时间，以调整从电源输入到电源输出的能量传输。
附图说明
参考附图描述了本发明的非限制和非穷举的实施例，其中相同的参考标记在所有不同附图中都指代相同的部分，除非另有特定的说明。
图1A是一般地示出了给负载提供功率的实例开关电源的结构图。
图1B是一般地示出了图1A中的实例开关电源的开关电流波形的实例的图表。
图2是实例流程图，通常示出了根据本发明的教导，给负载提供功率的实例开关电源的操作的采样流。
图3A是实例示意性图，通常示出了根据本发明的教导，给负载提供功率的实例开关电源的实例控制器。
图3B是实例示意性图，通常示出了根据本发明的教导，固定频率峰值电流PWM调制器和选择操作模式的选择器比较器电路。
图4是另一实例流程图，通常示出了根据本发明的教导，给负载提供功率的实例开关电源的操作的采样流。
图5是另一实例示意性图，通常示出了根据本发明的教导，给负载提供功率的实例开关电源的实例控制器。
图6A是一般地示出了根据本发明的教导，在周期调制模式中操作的开关电源的能量传输元件的磁通密度的图表。
图6B是一般地示出了根据本发明的教导，以高频操作的开关电源的能量传输元件中局部频谱实例的图表。
图6C是一般地示出了根据本发明的教导，在无多周期调制的情况下以低频操作的开关电源的能量传输元件中局部频谱实例的图表。
图7A是一般地示出了根据本发明的教导，在多周期调制模式中操作的开关电源的能量传输元件中磁通密度实例的图表。
图7B是一般地示出了根据本发明的教导，在多周期调制模式中操作的开关电源的能量传输元件中局部频谱实例。
图8A是一般地示出了根据本发明的教导，开关电源的能量传输元件中未调制磁通密度信号的实例的图表。
图8B是一般地示出了根据本发明的教导，开关电源的多周期调制器信号的实例。
图8C是一般地示出了根据本发明的教导，多周期调制器信号的复数傅立叶级数表示的正频率和负频率的系数相对值的图表。
图9是一般地示出了根据本发明的教导，实例未调制的开关信号和多周期调制器信号的实例频谱如何结合以产生多周期调制信号的实例频谱的图表。
具体实施方式
公开了一种在开关电源中可以在减小声频的同时能够保持高效率的方法和设备。在下面的描述中，为了提供对本发明的彻底的了解，提出了大量特定的细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，要实现本发明不需要应用特定的细节。在其它实例中，为了避免混淆本发明，未详细描述公知的材料或方法。
整个发明中“一个实施例”，“一实施例”，“一个实例”，“一实例”等等都意味着根据实施例或者实例的特定特征，结构或者特性包含在本发明的至少一个实施例或者实例中。这样，本发明中不同地方出现的短语“在一个实施例中”，“在一实施例中”，“一个实施例”或者“一实施例”没必要都参考相同的实施例或者实例。另外，特殊的特征，结构或者特性可以以任何适当的组合和/或子组合在一个或多个实施例或者实例中结合。另外，应当理解的是，提供的附图是出于对本领域技术人员解释的目的，这些图没必要按比例制图。
如将要进行讨论的，公开的是电源开关的开关实例，它们可以大大地减少电源组件在声频的机械性激励，同时保持开关在同等声频上的优点。根据不同的实例，具有短周期的开关操作循环集中到多个组中，该多个组由无开关的间隔分开。根据本发明的教导，通过控制组的持续时间和开关的开关操作循环的多个组之间的无开关的持续时间，实现开关电源的输出调整。
为了阐述，图1A示出了通常的实例开关电源调节器100的功能性结构图。应当注意，图1A中示出的实例开关电源调节器100是返馈开关式电压调节器，它是可以从本发明的教导中受益的开关电源拓扑的其中一个实例。然而，应当理解的是，从本发明的教导中受益的也可以是开关电源调节器的其它已知的拓扑和结构。
图1A中的实例开关电源调节器100从未调节的输入电压VIN105提供输出功率给负载165。输入电压VIN 105耦接到能量传输元件T1 125和开关S1 120。在图1A的实例中，能量传输元件T1 125是具有两个绕组的变压器。箝位电路110耦接到能量传输元件T1 125的初级绕组，以控制开关S1 120上的最大电压。开关S1 120响应于从控制器电路或者控制器145接收到的开关信号112接通和切断。在示出的实例中，开关S1120是晶体管，控制器145包括集成电路和/或离散的电子元件。在操作中，开关S1 120的开关在整流器D1 130中产生了脉动电流，该电流由电容器C1 135滤波以在负载165上产生基本恒定的输出电压VO或者输出电流IO。
将被调节的输出量是UO 150，通常是输出电压VO、输出电流IO或者它们二者的组合。耦接反馈电路160以检测来自电源输出的输出量UO150，以产生输入到控制器145的反馈信号UFB 155。另一个到控制器145的输入是电流检测信号140，该信号检测开关S1 120中的电流ID 115。许多公知的测量开关电流方法中的任何一个方法，例如电流变压器或者离散电阻器上的电压或者当晶体管导通时该晶体管上的电压，都可以用于测量电流ID 115。
在图1A的实例中，控制器145响应于系统输入来操作开关S1 120，以基本上调节输出量UO 150到其期望值。因此在闭环中调节电源的输出。控制器145通常包括，定义具有周期Ts的开关操作循环的振荡器。可以通过控制一个或多个开关参数来实现调节，该参数可以确定从电源调节器100的输入传输到输出的能量数量。
图1B是一般地示出电流ID 115随着时间变化的函数的图。在一个实施例中，开关S1 120在每一开关操作循环的开始都开启。开关S1 120导通，直到电流ID 115达到阈值IMAX。在一个实例中，在恒定开关操作循环周期Ts(恒定开关频率)控制最大电流IMAX，保持了电流ID 115的平均值位于调节输出量UO 150所要求的值。该调节因此通过固定频率脉冲宽度调制技术实现，该技术作为固定频率峰值电流脉冲宽度调制(PWM)或者固定频率电流模式控制而公知。在另一实例中，调节可以通过改变在固定频率上的开关的导通时间实现。这种控制模式作为固定频率电压模式控制或者固定频率电压模式PWM而公知。虽然电压模式是与源自用于调节电源输出电压的电压模式关联，但是该术语继续用于描述相同的控制模式，即使是当被调节的输出是电流或者电压和电流的组合。术语固定频率PWM覆盖了电流模式和电压模式在固定频率的控制操作。在另一实例中，调节可以由PWM的另一形式实现，其作为周期调制或者开关频率调制而公知，其中开关中的电流在每一个开关操作循环达到固定的峰值，并且调节周期Ts。在响应于电流ID的低平均值的轻负载中，期望在更低的开关频率进行操作，通常在声频范围内，以减少电源中的开关损耗。上面所有的三种调制技术都包括占空比的调制，并且因此被称为通用的术语“占空比调制”。
在实际应用中，调节输出量UO 150所需的电流ID 115的平均值可能不是一个开关操作循环上的平均值，而是包括许多开关操作循环的一段时间上的平均值。该许多开关操作循环不需要具有相同的周期值。包含不同周期值的开关操作循环的许多不同序列可以产生平均电流ID 115，该平均电流ID 115在指定的限制内调节输出量UO 150。
期望的是，控制开关操作循环的周期值和序列以避免可以产生声频噪音的多种频率。如在本发明后面将要描述的，根据本发明的教导，可能产生声频噪音的声频值基本上通过将开关操作循环聚集为多个循环的组而减小，可以调制这些多个循环的组以调节输出。
图2是实例流程图，一般地描述了根据本发明教导的一种用于控制电源的方法。从块205开始，在块210中发生电源输出检测。
接下来，在块215中，控制器使用从电源输出检测到的信息来估算峰值电流IPK，该峰值电流是以固定开关操作循环Ts调节输出所需要的。下面，估算的峰值电流IPK与最小峰值电流IPKMIN在判定块220进行比较。在一个实例中，最小峰值电流IPKMIN对应于需要减少平均开关频率以减少开关损耗的轻负载。
峰值电流IPK的估算和与最小峰值电流IPKMIN的比较不需要精确或者数字计算的结果。在一个实例中，峰值电流IPK是从反馈信号的值而估算的。在一个实例中估算的前提就是大的反馈信号指一个轻负载，这需要声频范围内的开关频率以满足高效率的需要，声频范围内的开关频率会产生讨厌的多种电平的声频噪音。在这些情况下，判定块220判定IPKMIN＞IPK，流程就会转到块230。在块230中，峰值电流IPK被固定在值IPKMIN，开关操作循环周期Ts固定在值TSG。然后使用块235中的多周期调制实现调节。
如在块235中所示的，多周期调制通过聚集开关信号中的N个开关周期来实现输出的调节，每一个开关周期都具有周期TSG，紧跟着无开关的M个TSG周期。在实例中，N和M都是可以调节的，分别限制在最小值NMIN和MMIN。开关信号中的开关和无开关的最终模式在图1A中给出了相同的平均电流ID 115，其中在固定开关操作循环周期具有不中断的开关，该固定开关操作循环周期对应于可以产生更大开关损耗和降低效率的更高的开关频率。在实例中，根据本发明教导的具有多周期调制的开关模式实质上产生了，比使用普通峰值电流脉宽调制的未分组模式更少的声频噪音。
如果判定块220判定IPKMIN≤IPK，那么流程直接到块225，以便通过在固定开关频率的峰值电流PWM而不是多周期调制来实现调节。在一个实施例中，IPKMIN被设为接近电源最大输出功率的峰值电流的25％。在一个实施例中，固定开关频率为30kHz。在一个实例中，根据本发明的教导，多周期调制可以用于调节低输出功率的传递，而以固定频率峰值电流模式控制而公知的固定频率峰值电流PWM可被用于调节更高的输出功率的传递。
这样，在一个实例中，依靠峰值开关电流IPK和最小峰值开关电流IPKMIN之间的关系，可以根据第一或第二操作模式控制开关导通。在第一操作模式中，在开关操作循环的固定周期内控制开关以导通，调节开关操作循环的固定周期内的峰值开关电流以调整电源输出。可替代的，在第二操作模式中，在具有固定周期的开关操作循环内控制开关以导通，一组连续的开关操作循环与下一组连续的开关操作循环被无开关的时间分离，调节无开关的时间以调整电源输出。在实例中，可以调节无开关的时间，以便开关操作循环的频率落在声频范围之外。在一个实例中，开关操作循环的组包括至少两个连续的开关操作循环。
在一个实例中，根据本发明的教导，可以应用固定频率电压模式PWM而不应用峰值电流模式PWM来调节更高功率的传递。在该实例中，使用PWM还是多周期调制的判定可以基于开关的导通时间而不是在调节中保持输出所需要的峰值电流。例如，当响应于反馈信号，导通时间减少并且与指示轻负载的阈值交叉时，操作从固定频率电压模式PWM改变到多周期调制。
图3A一般地示出了包含在用于电源控制器中的多周期调制器340的实例示意性图345，其使用了图2中示出的方法。在该实例中，耦接反馈控制块302以接收涉及电源输出的检测信号350。检测信号350可以表示一个或多个参数的组合，例如输出电压、输出电流、开关中的电流、开关定时、电源输入电压、使能信号、禁止信号等等，它们都是在某一时间内产生的。检测信号350实质上可以是模拟信号或者数字信号。为了响应检测信号350，反馈控制块302产生反馈电流IFB 356，该反馈电流IFB356对应于需要保持调节输出的峰值开关电流。电流IFB被电阻器R1 358转化为电压VFB 352。与最小峰值开关电流IPKMIN成比例的固定电流同样由电阻器R2 360转化为固定参考电压VIPKMIN354。电压VFB 352和固定参考电压VIPKMIN 354被调制块306接收，以产生具有固定开关频率的脉宽调制开关信号308，其响应于在与门310的第一输入的固定开关操作循环Ts。在一个实例中，块306通过调节电源的开关S1 120中的峰值电流IPK改变开关信号308的脉冲宽度。开关S1 120中的电流被电流检测电阻器Rs 370转化为电流检测电压VIS1372。电流检测电压VIS1372被块306接收。在一个实例中，当反馈电流IFB 356大于最小参考峰值开关电流IPKMIN时，峰值电流IPK与反馈电流IFB 356成比例，当反馈电流小于IPKMIN时，峰值电流IPK被固定在值IPKMIN。执行块306功能的电路的一个实例在图3B中示出，并且在本发明的后面进行描述。比较器314比较电压VFB352与参考电压VIPKMIN 354。在图3A的实例中，在反相器320的输入处，比较器314的输出被多周期调制器电路340作为信号316接收，并且输入到与非(NAND)门324的第一输入。如在实例中所示，多周期调制器电路340生成信号332，响应于来自比较器314的信号316启用或者禁止在与(AND)门310输出的开关信号312。当电压VFB 352大于参考电压VIPKMIN 354时，来自比较器314的信号316为高。当电压VFB 352小于参考电压VIPKMIN 354时，来自比较器314的信号316为低。当信号316为高，多周期调制器电路340在与门310的第二输入设置信号332为高，从而启用或者允许来自块306的脉冲宽度调制开关信号308在与门310的输出上不中断，这在示出的实例中是耦接到开关S1 120的开关信号312。在一个实例中，开关S1 120是功率金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。当信号332在与门310的第二输入上为低时，脉冲宽度调制开关信号308被禁止或者不允许出现在与门310的输出上。
当信号316为低时，周期Ts被固定在值TSG。此外，当信号316为低时，多周期调制器电路340允许开关信号308在最小数量NMIN开关操作循环内出现在开关信号312，每一个开关操作循环都具有周期TSG，在最小数量MMIN的开关操作循环内禁止开关信号312，每一个开关操作循环都具有周期TSG。在一个实例中，多周期调制器电路340包括耦接的锁存器，以接收来自比较器314输出的信号316。如在实例中所示出的，锁存器由与非门326和328以及反相器320和330形成，并且耦接到边缘检测器348，该边缘检测器耦接到单次定时器338。边缘检测器348包括异(XOR)门342、反相器344和延迟346，如所示出的。
在一个实例中，当来自锁存器的反相器330输出的信号332从高变到低以及从低变高时，边缘检测器348在线路336上产生逻辑低以持续近30纳秒。当线路336变低，单次定时器338在NMINTSG或者MMINTSG的持续时间内在线路334上产生逻辑低。当线路332为高时，线路334上的逻辑低的持续时间为NMINTSG。当线路332为低时，线路334上的逻辑低的持续时间为MMINTSG。在一个实施例中，NMIN被选择为接近4个周期，MMIN为0周期。在一个实施例中，对应于固定周期TSG的频率为30kHz。
图3B示出了执行图3A中的块306功能的电路实例图，其包括固定频率峰值电流调制器和模式选择器比较器。模式选择比较器368接收电压VFB 352，VIPKMIN 354和VIS1 372。模式选择比较器368产生输出374，该输出由锁存器362的输入接收。锁存器362的另一输入从振荡器366接收定时信号364。锁存器362的输出是脉冲宽度调制开关信号308。
图4是另一实例流程图，描述了根据本发明的教导用以控制电源的另一方法。从块405开始，在块410发生电源输出的检测。
接下来，在块415中，控制器使用从电源输出检测到的信息，来估算调整具有周期调制的输出所需要的等效开关频率fEQ。下面，估算的开关频率fEQ与参考频率fREF在判定块420进行比较。在一个实例中，参考频率fREF大于或者等于所关心的最高声频。在一个实施例中，参考频率接近于30kHz。
开关频率fEQ的估算以及与参考频率fREF的比较都不需要精确的或者数字计算结果。在一个实例中，开关频率fEQ基于反馈信号被估算为高于或者低于参考频率fREF。fEQ低于fREF的估算暗指轻负载需要声频范围内的开关频率。在这些情况下，判定块420判定fREF＞fEQ，流程转到块430。周期Ts在块430中被固定在值TSG。然后在块435中实现多周期调制的调节。
如在块435中所示，多周期调制通过在开关信号中聚集N个开关操作循环实现输出的调节，每一个开关操作循环都具有周期TSG，紧跟着无开关的周期TSG的M个循环。在实例中，N和M都是可以调制的，分别限制为最小值NMIN和MMIN。开关信号中的开关和无开关的最终模式在图1A中都给出了相同的平均电流ID 115，以具有固定开关操作循环周期的开关频率fEQ不间断地开关。在实例中，根据本发明的教导，分组调制的开关模式实质上产生了比具有普通周期调制的未分组模式更少的声频噪音。
如果判定块420判定fREF≤fEQ，那么流程转到块425，以便通过周期调制而不是多周期调制来实现调节。在一个实施例中，周期调制频率范围是30kHz到66kHz。在另一实施例中，周期调制频率范围是30kHz到132kHz。在一个实例中，根据本发明的教导，多周期调制可以用于调节低输出功率的传递，周期调制可以用于调节更高输出功率的传递。
这样，在一个实例中，依靠开关频率fEQ和参考频率fREF之间的关系，可以根据第一或第二操作模式控制开关导通。在一个操作模式中，在开关操作循环内控制开关导通，调节开关操作循环周期以调节电源输出。可替代的，在第二操作模式中，可以在具有固定周期的开关操作循环内控制开关导通，一组连续的开关操作循环与下一组连续的开关操作循环被无开关的时间分离，调节无开关的时间以调整电源输出。在实例中，可以调节无开关的时间以便对应于开关操作循环周期的频率落在声频范围外。在实例中，开关操作循环的组包括至少四个连续的开关操作循环。
图5示出使用了图4中方法的电源的控制器545的实例示意性图。在实例中，耦接反馈控制块302以接收涉及电源输出的检测信号350。如所讨论的，检测信号350可以表示一个或多个参数的组合，例如输出电压、输出电流、输出功率、开关中的电流、开关定时、电源输入电压、使能信号、禁止信号等等，它们都是在某一时间内产生的。检测信号350实质上可以是模拟信号或者数字信号。为了响应检测信号350，反馈控制块302产生等效开关频率信号fEQ504，该等效开关频率信号对应于保持调节输出所需要的开关频率。信号fEQ504被周期调制块506接收以产生在与门310的第一输入上的具有周期Ts的周期调制开关信号508。比较器514比较信号fEQ504和参考信号fREF518，在一个实例中该参考信号对应于周期调制开关所需要的最小开关频率。在图5的实例中，比较器514的输出被多周期调制器电路340在反相器320的输入作为信号516接收，并且传递到与非门324的第一输入。如在实例中所示的，多周期调制器电路340生成信号332，它响应于来自比较器514的信号516启用或者禁止在与门310输出上的开关信号512。当信号fEQ 504大于参考信号fREF518时，来自比较器514的信号516为高。当信号fEQ 504小于参考信号fREF518时，来自比较器514的信号516为低。当信号516为高，多周期调制器电路340在与门310的第二输入设置信号332为高，从而启用或者允许来自周期调制块506的周期调制开关信号508不间断地出现在与门310的输出上，其在示出的实例中是开关信号512。当信号332在与门310的第二输入上为低时，周期调制开关信号508被禁止或者不允许出现在与门310的输出上。
当信号516为低，多周期调制器电路340允许开关信号508在最小数量NMIN组具有周期TSG的开关操作循环内出现在开关信号512，在最小数量MMIN组具有周期TSG的开关操作循环内禁止开关信号512。在一个实例中，多周期调制器电路340包括耦接的锁存器，以接收来自比较器514输出的信号516。如在实例中所示出的，锁存器由与非门326和328以及反相器320和330形成，并且耦接到边缘检测器348，该边缘检测器348耦接到单次定时器338。边缘检测器348包括异门342、反相器344和延迟346，如所示出的。
在一个实例中，当来自锁存器的反相器330输出的信号332从高变到低以及从低变高时，边缘检测器348在线路336上产生持续近30纳秒的逻辑低。当线路336变低，单次定时器338在NMINTSG或者MMINTSG的持续时间内在线路334上产生逻辑低。当线路332为高时，线路334上逻辑低的持续时间为NMINTSG。当线路332为低时，线路334上的逻辑低的持续时间为MMINTSG。
然而在另一实例中，除了峰值开关电流IPK或者等效开关频率fEQ之外的不同参数可以作为多周期调制和可替代的控制模式之间进行选择的标准。例如，可替代的控制模式可以是固定开关频率电压模式PWM。在该模式中，只要导通时间在响应于反馈信号的特定阈值之上，就调节开关的时间。当反馈信号要求低于最小阈值的导通时间表示轻负载情况时，导通时间可以被固定在该值，并且控制模式可以被切换到多周期调制。另外可替代的控制模式可以是具有固定导通时间或者固定空闲时间的可变频率，其使用了最小的开关频率作为用于多周期调制的指示。
因此，在一个实例中，控制器耦接到电源中的开关，以控制在开关操作循环内的开关的开启和切断。在实例中，开关耦接到能量传输元件，例如电源的能量传输元件T1 125。一组开关操作循环和下一组开关操作循环通过无开关的时间分离，调节无开关的时间以调节从电源输入到电源输出的能量传输。在实例中，在一组开关操作循环中最小数量的连续周期是固定的。另外，通过在开关操作循环内控制开关导通和调节循环的周期以调节输出，控制器可以在额外的模式下操作以调节更高的功率输出。为了解释，图6，图7，图8和图9示出了根据本发明的教导，开关操作循环的模式和生成可以产生声频噪音的频率之间的关系，以启动多周期调制的参数值的选择。
电流ID 115在能量传输元件T1 125中产生磁通密度B(见图1)。图6A的图表示出了磁通密度B随着时间变化的函数的通常波形的一个实例。峰值磁通密度BP出现在电流ID 115的峰值电流IMAX。磁通密度B在周期Ts内的时间TA上是有效的。
考虑磁通密度B的频谱内容是重要的，这是因为磁通密度会产生能够改变能量传输元件T1 125的形状的机械力。如果磁通密度B包含声频范围内的频率组件，在该声频范围内可以使得能量传输元件T1 125共振，则可能产生不能采用的高声频噪音。
图6B和6C示出了图6A中波形的局部频谱。图6B中示出了来自高开关频率的频谱，而图6C示出了在相同频率范围内的来自低开关频率的频谱。
在频率轴上的垂直线示出了表示图6A中波形的复数傅立叶级数中相对系数值。本领域技术人员将知晓具有周期T0的周期性函数f(t)可以表示为：
f ( t ) = Σ n = - ∞ ∞ c n e jn ω 0 t = c 0 + Σ n = 1 ∞ 2 | c n | cos ( n ω 0 t + φ n )
其中
j = - 1 和 ω 0 = 2 π T 0
系数cn通常是具有实数部分和虚数部分的复数。虽然实数部分和虚数部分必须用于正确的计算，但只需要考虑系数值cn以解释和理解本发明。
在图6B和图6C中没必要示出n＜0时系数cn的相对值，这是因为在负频率处的该相对值和在正频率处的相对值相同。
|cn|＝|c-n|     n＝1，2，....
图6A中的磁通密度B的平均值是系数c0，并且由图6B和图6C中的在0频率上的线表示。对应于周期Ts的基频fs的系数由图6B和图6C中在频率fs的线表示。基频的谐波的量作为在整数倍基频上的线示出。
在通常的能量传输元件例如铁氧体磁心变压器中产生机械变形的力，可以产生与磁通密度的平方成比例的声频噪音。显示这些系数的值是有用的，这是因为在每一个频率处的功率也由该值的平方表示。因此，期望的是，在声频范围内减少所有系数的值。
为了阐述，图6B和图6C示出了在较低的边界fXMIN和较高的边界fXMAX之间的频率范围，该范围期望减少或者排除来自图6A中的磁通密度的所有激励。在一个实例中，fXMIN和fXMAX分别是对应于元件的共振频率范围的较低和较高边界，所述元件例如在开关电源中通常应用的变压器和陶瓷电容器。在一个实施例中，fXMIN的通常值是8kHz，fXMAX的值通常是15kHz。
在产生图6B中的频谱的高开关频率，在fXMIN和fXMAX之间的区域内无频谱分量。当周期Ts增加并且开关频率变得更低以调节输出时，基频fs上的基波分量和多个基频fs的所有谐波在频率轴上向0靠得更近。在图6C的实例中，开关频率的基波分量从大于fXMAX的值变到fXMIN和fXMAX之间的专有区域，这可能使得例如变压器发生共振。
有可能重新排列图6A中的磁通密度的波形的激活时间TA以减少包含在fXMIN和fXMAX之间区域内的功率，同时保持调节输出所需要的相同平均值。一种适当的重新排列的实例在图7A中示出，它的频谱在图7B中示出。
图7A示出了一组N个开关操作循环周期或者在具有对应周期TSG的开关频率fSG上的N个周期，后面紧跟无开关的时间。无开关的时间是周期TSG的多重M倍。调节倍数M以保持与图6A中示出的波形相同的平均磁通密度，这可以由等效开关频率fEQ获得。组周期TG是N个周期TSG与无开关的时间之和。因此，为了调节输出，周期TSG未改变，而组周期TG被调节。
在文中我们称图6A中开关操作循环的周期Ts的调节为周期调制。我们称图7A中的组周期TG调节为多周期调制。
图7B示出了在N＝M＝11和TSG＝2TA的情况下，图7A中组调制磁通密度的比例尺制图的实例频谱。图6C示出了周期调制磁通密度的频谱，其可以产生与图7B中频谱相同的具有组调制磁通密度的输出功率。图6C中的开关频率或者频率fs与图7B中的频率fEQ等效。图6C和图7B中的频谱比较示出了多周期调制大大减少了fXMIN和fXMAX之间的专有范围内的功率。频率范围内的全部功率由该范围内的值的平方和表示。
为了进一步阐述，图7A中的多周期调制磁通密度可以视为图8A中的未调制信号乘以图8B中的多周期调制器信号。用于多周期调制的设计参数可以通过检查两信号的频谱来确定。
图8C示出了图8B中多周期调制器信号的复数傅立叶级数表示中用于正、负频率的系数的相对值。N＝M的情况容易阐述，这是因为偶数数量的谐波是0。本领域技术人员可以容易地确定N和M为任意值的系数。
图9示出了图8A中未调制开关信号的频谱和图8B中多周期调制器信号的频谱是如何结合以产生图7A中的多周期调制信号的频谱。本领域技术人员将知晓，时域中的两个信号的相乘等效于频域内两个信号的频谱的卷积。也就是说，未调制磁通密度信号B(t)与组调制器信号G(t)的相乘产生了具有频谱c(f)的组调制信号C(t)，从而
c ( f ) = ∫ - ∞ ∞ b ( x ) g ( f - x ) dx
其中b(f)，g(f)和c(f)分别是B(t)，G(t)和C(t)的频谱，x是沿着频率轴的积分的伪变量。
用图表比较容易表示和执行卷积操作，尤其是在当频谱在唯一的离散频率上非零时。为了执行图解卷积，关于0频率轴首先交换或翻转组调制器的频谱，以便频率可以变得向左更正和向右更负。虽然由于对称的原因，翻转的频谱值与原来的频谱相等，但是这种翻转对于在系数中需要适当符号的正确数字计算来说是必须的。
在图9中，未调制开关波形的频谱的正频率部分示出了TSG＝2TA的情况。只示出了在0频率和基频的系数，这是因为更高的谐波比最高的感兴趣的频率要大得多。图形过程用于获得在任意感兴趣频率上的多周期调制开关波形的频谱值。为了获得图形化的多周期调制开关波形的频谱系数，沿着频率轴滑动多周期调制器的翻转频谱，以便多周期调制器频谱的0点处在感兴趣的频率上。然后在多周期调制器频谱中的每一系数都和与该系数对齐的未调制频谱的系数相乘。将所有的乘积相加，以获得用于感兴趣频率上的多周期开关频谱的系数值。
虽然多周期调制器的频谱包含无限数量的系数，但只需要考虑最重要的系数以获得多周期开关频谱的较好近似值。在大部分实际实例中，超过前三个或四个的系数都可以被忽视掉。图9中的实例示出，在多周期调制开关频谱中的系数c15的量几乎是未调制开关信号的系数b1的量与多周期调制器的系数g7的量的乘积。这个值是近似的，这是因为所有更高谐波的乘积都被忽略了。在图9的实例中，在偶数数量的频率的系数都是精确的，这是因为和只包含非0的一项。
对图9的研究产生了引导用于组调制的参数选择的关系。使用由fXMIN和fXMAX确定的排他频率的区域，其中fXMIN＜fXMAX，选择组开关频率fSG以使
fSG≥fXMIN+fXMAX
确定了多周期调制器的频谱中最重要的频率为基频fG的W倍，以便所有的大于fG的W倍的频率在卷积中都是可忽略的，在该卷积中确定排他频率的区域内的系数。通常，只有fG的前两个或三个谐波具有任意真实的重要性，所以乘数W不大于2或者3。所以
N ≥ W f XMAX f XMIN
最适宜的值是用于充分减少排他频率的区域内的最低要求。
对于产生具有多周期调制与具有周期调制的相同输出功率的等效频率fEQ，调制乘数M一定为
M = N ( f SG f EQ - 1 )
对应于多周期组频率
f G = f EQ N
在组之间的时间必须为TSG整数倍的实例中，M的正确值是具有不同整数值M的多个组周期上的平均值。在一个设计中，要求设计一个最小整数值M以便M≥N。由于当fEQ＝fXMAX时M是最小值，选择fSG＝2fXMAX。由于最小值M的约束，W＝3的选择通常对于所有M都是有效的。作为一个实例，通常设计为在8kHz的fXMIN和15kHz的fXMAX之间(其中变压器同样具有机械共振)的声频范围内减少频率可以使用fSG＝30kHz。W＝3的选择将给出N≥5.625，所以N＝M＝6。使用组周期的调制将一个最小值的六个周期的连续开关作为一组，后面紧跟着无开关的最小值的六个周期。
这样，在一个实例中，开关电源中的开关在基本固定周期的开关操作循环内控制开关的接通和切断。由无开关的时间将至少一组开关操作循环与下一组开关操作循环分离，调节无开关的时间以调节开关电源的输出。在实例中，无开关的时间被调节为开关操作循环的基本固定周期的整数倍的时间。另外，无开关的时间可以至少为开关操作循环的组的时间那么长。
本发明的上述实例的上述内容，包括摘要中所描述的，并不试图穷尽或者限制在公开的确切的形式。同时本发明的特定的实施例或者实例为了阐述的目的而被描述，不同的等效变化都是可能的，这些本领域技术人员都清楚。实际上，应当理解，特定电压、电流、频率、功率范围值、时间等等都是用于解释的目的而提供的，根据本发明的教导其它值也可以应用在其它实施例和实例中。
根据上面详细的描述可以对本发明的实例进行变化。在下面的权利要求中使用的术语不应当被解释为将本发明限制在说明书和权利要求中公开的特定实施例。相反，可以完全由下面的权利要求确定范围，该权利要求可以由权利要求的解释所建立的原则来限制。

Claims (53)

1.一种用于调整开关电源的方法，所述方法包括：
控制所述开关电源的开关在开关操作循环内接通和切断，该开关操作循环具有基本固定周期；
通过无开关的时间将一组连续的开关操作循环与下一组连续的开关操作循环分离，使得每一组连续的开关操作循环都具有至少预定最小数量的两个或更多开关操作循环；以及
在闭环中调节所述无开关的时间的持续时间，以调整开关电源的输出。
2.根据权利要求1的方法，其中预定最小数量的连续开关操作循环是4。
3.根据权利要求1的方法，其中在开关操作循环内传递的能量小于在开关操作循环内可传递到开关电源的输出的最大能量。
4.根据权利要求1的方法，其中调节无开关的时间的持续时间包括将连续的开关操作循环的组之间的无开关的时间的持续时间调节为基本固定周期的整数倍的时间。
5.根据权利要求4的方法，其中无开关的时间至少为两个基本固定周期。
6.根据权利要求1的方法，其中：
响应于基本固定周期的开关频率落在排他频率的区域之外，所述排他频率的区域在与所述开关电源的组件的谐振频率对应的声频范围的较低边界频率和较高边界频率之间；并且
调节所述无开关的时间的持续时间实质上减少了排他频率的区域内的能量。
7.根据权利要求6的方法，其中排他频率的区域包括听觉范围内的频率。
8.根据权利要求6的方法，其中排他频率包括开关电源中使用的组件的机械共振频率。
9.根据权利要求6的方法，其中排他频率的区域包括开关电源中使用的变压器的机械共振频率。
10.一种用于调整开关电源的方法，所述方法包括：
在第一操作模式下控制开关以在开关操作循环内导通，该开关操作循环具有周期；
调节开关导通的占空比，以在第一操作模式下调节所述开关电源的输出；
在第二操作模式下控制该开关以在开关操作循环内导通，使得通过无开关的时间将一组连续的开关操作循环与下一组连续的开关操作循环分离，并且每一组连续的开关操作循环都具有至少预定最小数量的两个或更多基本固定周期的开关操作循环；以及
调节无开关的时间的持续时间，以在第二操作模式下调整开关电源的输出。
11.根据权利要求10的方法，其中在第一操作模式下的开关导通的占空比被调节在开关操作循环的基本固定频率上。
12.根据权利要求10的方法，其中通过调节开关导通占空比来控制第一操作模式中的开关包括，调节开关操作循环的频率。
13.根据权利要求10的方法，其中响应于开关操作循环的周期的频率在排他频率的范围之外，所述排他频率的区域在与所述开关电源的组件的谐振频率对应的声频范围的较低边界频率和较高边界频率之间。
14.根据权利要求13的方法，其中在第二操作模式下调节无开关的时间包括，将无开关的时间调节到至少两个基本相等周期的时间。
15.根据权利要求10的方法，其中响应于第二操作模式中组内的开关操作循环的周期的频率大于排他频率的区域的最高频率限制，所述排他频率的区域在与所述开关电源的组件的谐振频率对应的声频范围的较低边界频率和较高边界频率之间。
16.根据权利要求15的方法，其中调节无开关的时间的持续时间实质上减少了排他频率的区域内的能量。
17.根据权利要求15的方法，其中排他频率的区域包括听觉范围内的频率。
18.根据权利要求15的方法，其中排他频率的区域包括开关电源中使用的组件的机械共振频率。
19.一种开关电源设备，包括：
耦接到电源的能量传输元件的开关；以及
耦接到开关的控制器，控制在开关操作循环内开关的接通和切断，该开关操作循环具有基本固定周期，其中在第一操作模式中所述控制器通过无开关的时间将每一组连续的开关操作循环与下一组连续的开关操作循环分离，使得每一组连续的开关操作循环具有至少预定最小数量的两个或更多开关操作循环，其中通过调节无开关的时间的持续时间，在闭环中调整从电源输入到电源输出的能量传输。
20.根据权利要求19的设备，其中通过进一步将一组内的开关操作循环的数量调节到预定最小数量之上，在闭环内调整从电源输入到电源输出的能量传输。
21.根据权利要求19的设备，其中两个或更多开关操作循环的预定最小数量为4。
22.根据权利要求19的设备，其中每一组中连续的开关操作循环的数量固定在4。
23.根据权利要求19的设备，其中无开关的时间的持续时间是开关操作循环的基本固定周期的整数倍。
24.根据权利要求19的设备，其中通过控制开关在开关操作循环内导通，控制器在第二操作模式下操作以调整电源的输出，并且调节开关操作循环的周期以调节输出。
25.根据权利要求24的设备，其中所述第一操作模式使用多周期调制来传递低输出功率，所述第二操作模式用于传递较高输出功率。
26.根据权利要求19的设备，其中通过使用固定频率脉冲宽度调制在开关操作循环内控制开关导通，控制器在第二操作模式下操作以调整电源输出。
27.根据权利要求26的设备，其中所述第一操作模式使用多周期调制来传递低输出功率，所述第二操作模式用于传递较高输出功率。
28.根据权利要求26的设备，其中固定频率脉冲宽度调制包括固定频率电流模式控制。
29.根据权利要求26的设备，其中固定频率脉冲宽度调制包括固定频率电压模式控制。
30.根据权利要求19的设备，其中控制器包括：
反馈电路，所述反馈电路被耦接用于响应于来自电源输出的检测信号产生等效开关频率信号；以及
比较器，所述比较器被耦接用于比较等效开关频率信号和参考信号。
31.根据权利要求30的设备，其中控制器进一步包括周期调制电路，所述周期调制电路耦接到反馈电路，以响应于等效开关频率信号产生周期调制开关信号。
32.根据权利要求31的设备，其中控制器进一步包括多周期调制器电路，所述多周期调制器电路耦接到比较器输出，所述多周期调制器电路被耦接用于启动或者禁止来自控制器的开关信号。
33.根据权利要求32的设备，其中多周期调制器电路进一步包括：
锁存器，所述锁存器耦接到比较器输出；
边缘检测器，所述边缘检测器耦接到锁存器输出；以及
单次定时器，所述单次定时器被耦接用于接收来自边缘检测器输出的信号，以产生来自控制器的开关信号的开关操作循环的组之间的无开关的持续时间。
34.一种用于调整开关电源的方法，所述方法包括：
控制所述开关电源的开关在开关操作循环内接通和切断，该开关操作循环具有周期；
通过无开关的时间，将至少一组预定数量的两个或更多连续的开关操作循环与下一组预定数量的两个或更多连续的开关操作循环分离；以及
在闭环中调节无开关的时间的持续时间，以调整开关电源的输出。
35.根据权利要求34的方法，其中开关操作循环的周期基本是固定的。
36.根据权利要求35的方法，其中至少一组预定数量的两个或更多连续开关操作循环包括一组至少四个连续开关操作循环。
37.根据权利要求35的方法，其中至少一组预定数量的两个或更多连续开关操作循环包括四个连续开关操作循环。
38.根据权利要求35的方法，其中在开关操作循环内传递的能量小于在开关操作循环内可传递到开关电源的输出的最大能量。
39.根据权利要求35的方法，其中调节无开关的时间的持续时间包括将组之间无开关的时间的持续时间调节为开关操作循环的基本固定周期的整数倍的时间。
40.根据权利要求34的方法，其中开关操作循环的开关频率在排他频率的区域之外，所述排他频率的区域在与所述开关电源的组件的谐振频率对应的声频范围的较低边界频率和较高边界频率之间，调节无开关的时间实质上减少了排他频率区域内的能量。
41.根据权利要求40的方法，其中排他频率区域包括听觉范围内的频率。
42.根据权利要求40的方法，其中排他频率区域包括开关电源中使用的组件的机械共振频率。
43.一种开关电源设备，包括：
耦接到电源的能量传输元件的开关；以及
控制器，耦接到所述开关以在开关操作循环内控制开关的接通和切断，其中在第一操作模式中所述控制器通过无开关的时间将每一组具有预定数量的两个或更多连续的开关操作循环与下一组具有预定数量的两个或更多连续的开关操作循环分离，其中在闭环内调节无开关的时间的持续时间，以调整从电源输入到电源输出的能量传输。
44.根据权利要求43的设备，其中开关操作循环的周期基本是固定的。
45.根据权利要求44的设备，其中具有预定数量两个或更多连续开关操作循环的组包括一组至少四个连续的开关操作循环。
46.根据权利要求44的设备，其中预定数量的两个或更多开关操作循环是四个开关操作循环。
47.根据权利要求44的设备，其中组之间无开关的时间的持续时间是开关操作循环的基本固定周期的整数倍。
48.根据权利要求44的设备，其中通过控制开关在开关操作循环内导通，控制器在第二操作模式下操作以调整电源的输出，并且调节开关操作循环的周期以调整输出。
49.根据权利要求48的设备，其中所述第一操作模式使用多周期调制来传递低输出功率，所述第二操作模式用于传递较高输出功率。
50.根据权利要求44的设备，其中通过使用固定频率脉冲宽度调制在开关操作循环内控制开关导通，控制器在第二操作模式下操作以调整电源输出。
51.根据权利要求50的设备，其中所述第一操作模式使用多周期调制来传递低输出功率，所述第二操作模式用于传递较高输出功率。
52.根据权利要求50的设备，其中固定频率脉冲宽度调制包括固定频率峰值电流脉冲宽度调制。
53.根据权利要求50的设备，其中固定频率脉冲宽度调制包括固定频率电压模式脉冲宽度调制。
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