CN101651410B

CN101651410B - 用于减少电磁干扰的电路和方法

Info

Publication number: CN101651410B
Application number: CN200910164861.2A
Authority: CN
Inventors: 保罗·德安娜; 尼古拉·赞福林
Original assignee: PATRA Patent Treuhand Munich
Current assignee: Osram GmbH; PATRA Patent Treuhand Munich
Priority date: 2008-08-13
Filing date: 2009-08-11
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2029-08-11
Also published as: CN101651410A; EP2154771A1; ATE531119T1; EP2154771B1; KR20100020914A

Abstract

本发明涉及一种用于减少电磁干扰的电路和方法。该电路装置包括用于感测由电源(10)馈电的负载(L)的传感器(R1、R2)以及用于根据由传感器(R1、R2)所感测的负载(L)对开关电源(10)的开关频率进行控制的反馈路径(22、24、26)。所述装置包括用于向反馈路径(22、24、26)中注入振荡信号的振荡器(30、38)，该振荡信号导致由开关电源(10)所产生的电磁噪声的频谱中的扩展。所述振荡信号为低频(例如300Hz)信号，即频率大大低于开关电源(10)的开关频率的信号。可提供开关(34)以选择性地切断振荡信号，以防止在高负载的情况下电源(10)的输出中的波动。

Description

用于减少电磁干扰的电路和方法

技术领域

本发明涉及减少电磁干扰(EMI)。

本发明是如下设计的：其中特别注意了本发明在减少比如由用于向照明设备馈电的变换器所产生的EMI方面可能的应用。

背景技术

具有可变工作频率的电源是与离线开关电源协同解决EMI问题的一种经过试验的方法。可变工作频率导致在一个频率范围内遍布的噪声频谱，从而降低了固定频率附近的峰值。

此方法在重负载或中等负载的情况下是令人满意的。直接来自整流的交流电源电压或PFC(功率因数校正)输入级的输入电压不是完全稳定的，并且由反馈回路消除了低频脉动(在如欧洲使用的50Hz电源的情况下为100Hz)，所述反馈回路改变工作频率以与输入波动无关地保持输出电压(在恒压设备的情况下)或输出电流(在恒流设备的情况下)恒定。该操作由开关控制器执行，所述开关控制器改变工作频率以使设备可以基于所连接的负载产生或多或少的功率。

出于同样的原因，如果输入电压是固定的，但是负载连续地变化，例如如果将电源的输出连接到低压调光器，则控制环将连续地改变工作频率以保持输出恒定。

频率变化的好处通过观察由频谱分析仪所测量的、尤其在“传导噪声”范围(对于欧洲照明设备为9KHz到30MHz)内的EMI频谱充分可见。可通过对比两个电源来最好地理解这些好处，前一个电源以可变频率工作(例如基于半桥拓扑的串联谐振变换器)，而后一个电源以固定频率工作(例如，标准硬开关半桥变换器)。

在轻负载的情况下或在“空载”的情况下(也就是很少或没有电流吸收)，即当调光水平由于由调光器所执行的调光动作而接近0％时或当所述负载完全断开时，该方法可能不是令人满意的。在该情况下，由于负载只吸收了很小量的要提供的能量，输入电容器(其在交流电源输入期间(如10ms)储存能量)仅轻微放电或保持完全充电在最大值并且输入电压是完全固定的。如果设备连接到调光器也会发生这种情况：开关控制器试图对负载连接做出响应，但是在轻负载的情况下，为了保持输出稳定，其不得不产生工作频率的细微变化。因此，观察EMI频谱仅显示出尖峰的略微减小。

过去已经提出了许多用于克服此缺点的解决方案。

第一解决方案包括使用工作在所导致的EMI噪声范围内的大型EMI滤波器。

虽然有效，但这些滤波器表现出许多固有的缺陷，在于它们尤其是：

-增加了设备的成本(并从而提高了价格)；

-增大了设备的尺寸；

-可能大大降低了设备的效率。

另一已知的方法包括使用设置在电源设备的输入或输出侧的所谓“泄放(Bleeder)”电阻器。该电阻器可被设置为横跨在设备的输入电容器上或横跨在设备的输出电容器上。

泄放电阻在轻负载的情况下极大地降低了效率，并在重负载的情况下可能需要断开以提供可接受的操作。并且，基于泄放电阻的解决方案还表现出另外的缺陷，例如：

-当没有负载连接到设备或者由负载吸收的功率非常小时(比如，当所述设备处于待用状态时)，所述泄放电阻不符期望地吸收功率；

-所述泄放电阻不可避免地需要有相对高的值。为了获得可接受的结果(即可接受的频率变化)，必须消耗一定量的功率(典型为额定功率的5％-10％)，这就要求电阻器具有一定的尺寸，这减小了设备中的功率/体积(Watt/cm³)比。

还有另一解决方案是基于“突发模式”操作的：当工作频率达到最大极限值或最小极限值时(根据所实现的拓扑以及工作模式)，控制器在一定时间上停止向变换器中的电子开关(例如功率金属氧化物半导体场效应晶体管)发出驱动命令。通过采用该技术，极限频率保持相同而驱动命令仅在短的(通常为预定义的)时间上出现。举例说明，如果达到了10KHz的最小工作频率，则到金属氧化物半导体场效应晶体管的驱动脉冲是不连续的。因此，所述脉冲大约仅仅在50％的时间上出现。结果是一种混合的脉冲加频率(pulse-plus-frequency)调制，当在效率方面与之前所考虑的解决方案进行比较时，该调制本质上是非耗散的。

由于电源级停止了一定的时间，“突发模式”操作降低了EMI噪声而不是导致噪声频谱的扩展。极限频率在任何情况下都是固定的，并且如果该频率(或多个这种频率)代表噪声源，它将较少由暴露于EMI的任何设备“捕获”。这可能会产生改进，但是噪声能量仍保持集中在给定频率。因此，如果设备是小功率设备(小于20瓦特)，突发模式操作是不能解决EMI问题的，并且甚至对于没有采用EMI滤波器的较大功率，可能一般也不能解决所述问题。

也存在通过限制最大或最小频率到更高或更低的值以减少一组中的脉冲数量从而增大突发周期的可能性。然而由于连续两组脉冲之间的距离，这具有导致不可接受的音频噪声的缺陷。事实上，所述突发周期可容易地落入请求EMI保护的音频频率范围内。

通过增加少量部件来改进并联/串联谐振变换器拓扑可导致消除上面所考虑的许多缺点，从而得到以下装置：

-这些装置不再需要使用(大型)EMI滤波器，从而避免了任何由于变化的线路或负载条件导致的效率(尤其是起动效率)的变化；

-将噪声频谱分布到宽的范围上，然而除了音频范围；

-导致适于由非常便宜的部件实现的解决方案。

这些解决方案可包括谐振变换器装置，其中由绝缘变压器的谐振电感与漏电感之和组成的原边电感与输出谐振电容器谐振；以及包括其中绝缘变压器的励磁电感与并联设置的两个电容器谐振的装置。

图1和图2为这种类型装置的示例。

图1和图2中示出的装置都包括用于向负载L馈送输出电压的电源级10。

电源级10包括一对电子开关12a、12b，典型为功率金属氧化物半导体场效应晶体管的形式，所述开关被交替驱动接通或关断(参见在示例中示出的与功率开关12a关联的逻辑反向器14。所讨论的两个开关在半桥装置中连接到两个电容器C1、C2或Cres以交替连接到输入电压Vin(在图2的设计中，可能关联有输入电容器Cin)以及绝缘变压器T的初级绕组T1。所述变压器T的输出绕组T2经由两个二极管16a、16b以及低通LC滤波器20驱动负载L。

在图1的实施例中，由变压器T的谐振电感Lres与漏电感Llkg之和组成的原边电感与跨接在次级绕组T2上的输出电容器Cres谐振。在图2的装置中，变压器T的励磁电感LM被使得与和所述开关12a及12b相关联的两个电容器Cres谐振。

在图1和图2中，包括两个电阻器R1和R2的分压器跨接到负载L上，作为传感器来感测负载L。来自分压器R1、R2的输出信号被(带有负号地)馈送到求和节点22，该求和节点进而(带有正号地)接收参考电压Vref。

所述求和节点的输出驱动控制器。在所说明的实施例中，所述控制器包括压控振荡器(VCO)24，所述VCO的输出驱动电子开关12a、12b。在所说明的实施例中，VCO 24由控制器单元26(例如比例/积分(PI)控制器或比例/积分/微分(PID)控制器)驱动。

发明内容

上面的描述表明需要改进的装置以消除上面所讨论的各种装置的固有缺点。

本发明的目的是提供这样的改进装置。根据本发明，通过具有接下来的权利要求中所提出的特征的装置来实现该目的。本发明还涉及相应的方法。权利要求是组成此处所提供的本发明公开内容的整体所必需的部分。

简言之，发明人已经指出了例如在图1和图2中所示出的那些拓扑(以及一般来说，包括具有用于感测由电源馈电的负载的传感器的开关电源以及用于根据所述负载对所述开关电源的开关频率进行控制的反馈路径的任何装置)显示出电压增益为v，以及如下的频率特性：其中从谐振频率开始，增益(相对于起始最大值进行标准化)最终变为几乎平坦。例如，目前通过在90KHz到110KHz之间改变频率来处理在额定值的100％到10％之间的负载的恒定电压(例如24伏特)电源，当空载工作时可达到大约200KHz的工作频率。这意味着如果即使是少量地使系统改变它的输出，也可在输出频率中获得明显变化。

因此此处所描述的改进装置的一个实施例基于如在上面说明的设备(或基于相同工作原理的任何谐振电路拓扑)的输出侧注入小扰动的思想。在一个实施例中，在输出分压器提供如下反馈信号的点注入扰动：该反馈信号表示要与参考电压Vref进行比较的输出信号。

在一个实施例中，扰动可由低频方波振荡器产生，该振荡器例如经由二极管和电阻器轻微“影响”电压反馈。

此处所描述的装置在EMI频谱内提供了有效扩展，其代表了抑制任何讨厌的干扰问题的一种可行解决方案。

由申请人所进行的试验表明，频率在100Hz到1KHz的范围中、幅值为输出电压的2％-3％量级的扰动可有效地在EMI频谱中产生令人满意的扩展。

根据具体的操作需要，可适当修改这些值(尤其是频率)。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例来描述本发明，其中：

图1和图2已在上面讨论过；

图3示出了此处所描述的装置的第一实施例；

图4示出了此处所描述的装置的第二实施例；

图5示出了此处所描述的装置的第三实施例。

具体实施方式

在以下的描述中，给出了大量具体细节以提供对实施例的透彻理解。所述实施例可不具有一个或多个特定细节而实施，或以其他方法、部件、材料等实践。在其他例子中，没有示出或详细描述已知的结构、材料或操作，以避免使实施例的特点变得模糊。

在本说明书中，提及“一个实施例”或“实施例”指的是结合实施例所描述的特定的特征、结构或特点包括在至少一个实施例中。因此，在本说明书的各种地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指的是同一实施例。另外，特定的特征、结构或特点可能在一个或多个实施例中以任何适合的方式组合。

此处所提供的标题只是为了方便，而并未解释实施例的范围或含义。

从图3到图5，参考标号10用来表示参考图1和图2详细描述的相应的部件组。为此，将不再描述包含在图1和图2中标记为10的块中的各种元件。

该示意图(如在图3到图5中所用的那样)代表了如下的事实，即只要装置是基于相同的工作原理，此处所描述的装置也可被应用到并不精确对应于在图1和图2中所例示的那些装置的变换器装置。

应理解，从图3到图5，R1、R2表示设置在电源级10的输出端的分压器，该分压器用于提供将被反馈到求和节点22的、代表负载L上的输出电压的反馈信号，以(例如经由PI/PID控制器26和VCO 24)向电子开关12a、12b提供反馈信号。

在图3到图5中，低通滤波器20中的电容器Cout(其事实上包括在块10中)已被表示为单独的元件。这是为了强调电容器Cout在与负载L一起限定输出滤波器的时间常数方面的作用。

在图3和图4中Cf示意性地表示包括在PI/PID控制器26的积分器中的电容元件。

在图3和图4的两个实施例中，存在用于产生周期为T并且占空比例如为50％的方波的振荡器30。所述方波作为小的“扰动”信号在分压器R1、R2的分隔点处(例如经由电阻器R3和二极管D1)注入。小的扰动信号为低频信号(例如300Hz)，这大大低于驱动开关12a、12b的开关频率(这在数十千赫兹的范围中是典型的，并且EMI源就是如此)。

该低频干扰信号于是被馈送到控制器的反馈回路并使VCO的输出频率被相应地扫描，从而产生由变换器所产生的EMI的所期望的扩展。

在图3的实施例中，经由电阻器R3和二极管D1的串联连接注入到反馈回路中的扰动(以及因此所导致的EMI扫描)是不对称的。

在图4的实施例中，电阻器R3和二极管D1的串联连接被并联连接到另一电阻器R4。电阻器R3和R4的值以如下的方式来选择：使得在振荡器30的高状态和低状态期间，振荡器30的输出电压以同样的方式影响反馈电压。以此方式，注入到反馈回路中的扰动(以及所导致的EMI扫描)是对称的。

在轻负载(即低电流吸收)的情况下，负载L所表现出的阻抗Rload(为简化起见，这里假定负载阻抗为纯电阻性的值)将会高并且输出滤波器的时间常数，即Rload·Cout，将大于所注入的噪声的周期T。在这些条件下，由注入到反馈回路中的噪声在变换器输出所引起的脉动在任何情况下都是可忽略的，而同时产生由变换器的开关行为所产生的EMI的有效变化(即扩展)。

具体地，在注入对称扰动的情况下(即图4的实施例)，输出电压将保持恒定。在非对称干扰的情况下，电压被非常少量地影响(例如200mV～300mV)。

在“重”负载的情况下(即高电流吸收)，波动会是可见的并因此不可接受。

为此，使能/使无效(enable/disable)的EMI校正开关32(其可手动设置或通过用于感测负载L的值的电路自动操作)将作用于电子开关比如晶体管34，来使低频振荡器30无效(例如将其输出短路)。

在图4的实施例中，高阻抗设备36比如传统的三态缓冲器用于断开振荡器30，事实上，在图4的情况下，由于该装置的电阻器R4改变了分压器R1、R2的结构，仅包括图3所示的晶体管34的装置可能不能产生所期望的结果。

图5为就元件R1、R2、Cout、D1、R3和R4而言，与图4的装置本质上类似的装置示例。

图5的装置考虑了微控制器38的可能的可用性，该微控制器出于其他目的(例如作为调光器的一部分)可能存在于控制器10中。在图5的结构图中，标号40表示微控制器38的引脚，其驱动电子开关42例如功率金属氧化物半导体场效应晶体管，以执行合适的调光动作。

在这种情况下，通过触发(toggling)例如微控制器38的三态逻辑端口44的输出可容易地获得图3和图4的振荡器30的功能，从而产生占空比可以固定为50％的脉宽调制(PWM)输出。

由于微控制器38一般“知道”负载L的值，微控制器38将处于使端口44作为振荡器的功能无效的位置(例如通过将端口44置于高阻抗状态)。

在具有集成调光器以及两线数字接口(TX-RX)的电源的情况下，由申请人所进行的试验已经表现出了图5的装置的令人满意的运行。该装置已经在空载条件下首先不施加任何EMI校正、然后施加从300Hz、50％占空比的方波中获得的非对称扰动(根据图3的基本设计)地进行了测试。这用来在电源级的反馈节点(输出电阻器分压器R1、R2)产生小扰动。在测试的具体试验装置中，选择电阻器R3的值为23.7KOhm。Vout为24伏特，参考电压为2.5伏特。R1选为2.7KOhm，R2选为47KOhm。方波幅值为3.3伏特且来自反馈电阻器R2的电流大约为900μA，而来自补偿电路的电流大约为10μA，即反馈电流的1.1％。

通过使用这样的装置，观察到EMI噪声在0.15MHz到3MHz范围上的有效扩展。这对与照明设备相关的广泛的应用来说被认为是可接受的。

在不违背本发明的基本原则的情况下，关于仅通过示例在此描述的内容，可改变细节和实施例，甚至是明显改变，而不离开所附权利要求中所限定的本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于减少来自开关电源(10)的电磁干扰的电路装置，所述电路装置包括用于感测由所述电源(10)馈电的负载(L)的传感器(R1、R2)以及用于根据由所述传感器(R1，R2)所感测的负载(L)对所述开关电源(10)的开关频率进行控制的反馈路径(22，24，26)，所述装置包括用于向所述反馈路径(22，24，26)中注入振荡信号的振荡器(30，38)，所述振荡信号导致由所述开关电源(10)所产生的电磁噪声的频谱中的扩展，所述电路装置还包括开关(34，36)用于选择性地切断所述振荡信号，以防止所述电源(10)的输出中的波动。

2.根据权利要求1所述的电路装置，其中所述振荡信号为频率大大低于所述开关电源(10)的开关频率的低频信号。

3.根据前述权利要求中任意一项所述的电路装置，其中所述振荡器(30，38)为方波振荡器。

4.根据前述权利要求中任意一项所述的电路装置，其中所述振荡器(30，38)产生占空比为50％的方波形式的振荡信号。

5.根据前述权利要求中任意一项所述的电路装置，其中所述振荡器(30)向所述反馈路径(22，24，26)中注入具有非对称波形的振荡信号。

6.根据权利要求5所述的电路装置，其中所述振荡器(30)经由电阻器(R3)以及二极管(D1)耦合到所述反馈路径(22，24，26)。

7.根据权利要求1到4中任意一项所述的电路装置，其中所述振荡器(30)向所述反馈路径(22，24，26)中注入具有对称波形的振荡信号。

8.根据权利要求7所述的电路装置，其中所述振荡器(30)经由电阻器(R3)和二极管(D1)的串联连接与另外的电阻器(R4)的并联连接耦合到所述反馈路径(22，24，26)。

9.根据前述权利要求中任意一项所述的电路装置，其中所述传感器为分压器(R1，R2)。

10.根据前述权利要求中任意一项所述的电路装置，其中所述振荡器包括在与所述电源(10)相关联的微控制器(38)中。

11.一种用于减少来自开关电源(10)的电磁干扰的方法，所述方法包括感测(R1，R2)由所述电源(10)馈电的负载(L)，以及根据所感测的所述负载(L)经由反馈路径(22，24，26)对所述开关电源(10)的开关频率进行控制，所述方法包括向所述反馈路径(22、24、26)中注入振荡信号，所述振荡信号导致由所述开关电源(10)所产生的电磁噪声的频谱中的扩展，所述方法还包括经由开关(34，36)选择性地切断所述振荡信号，以防止所述电源(10)的输出中的波动。