CN101855815A - 用于运行开关电源的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于运行开关电源的方法，所述开关电源包括借助于具有可变开关频率(fS)的开关信号(SIGS)来接通和断开的开关元件，其中为了确定所述开关信号(SIGS)的频谱的平均电平(A)预先给定频带宽度，并且其中利用大于所述频带宽度的调制频率(fM)来调制所述开关频率(fS)。由此以简单的方式引起干扰频谱的峰值电平的减小。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于运行开关电源的方法，该开关电源包括借助于具有可变开关频率的开关信号来接通和断开的开关元件，其中为了确定所述开关信号的频谱的平均电平预先给定频带宽度。此外，本发明还涉及一种用于执行该方法的开关电源。
背景技术
开关电源通常以千赫范围内的时钟频率切换，其中开关元件大多借助于经过脉冲宽度调制的开关信号而被控制。经过脉冲宽度调制的开关信号的陡沿尤其导致不期望的电磁干扰。在开关电源的电磁兼容性(EMV)的范围内对这样的干扰加以处理。
将有线干扰与自由空间中的干扰辐射加以区分。为了使由不希望的耦合造成的对其它电气设备的电磁干扰的影响保持得小，应当遵守EMV规定。在此，通常确定频带宽度以用于确定开关信号的频谱的平均电平，其中不允许超过最大允许的平均干扰电平。因此，频带宽度对应于干扰电平测量设备的滤波器带宽。由于在非常低的频率处干扰大多不成问题，因此EMV规定通常规定用于确定平均干扰电平的下限频率。在小的开关频率的情况下，频谱的一次谐波可能低于该极限频率，使得对于确定允许的干扰电平来说重要的是具有更高阶数的谐波。
为了遵守EMV规定，根据现有技术例如获悉高成本的滤波器，用于阻止电磁干扰沿着与开关电源相连接的线路以及通过自由空间的传播。
公知的还有：在形成开关信号时使用频率调制方法，以便减小频谱的平均干扰电平。在此，力求频谱的展宽(spread spectrum technology(扩频技术))，由此在干扰电平测量设备的滤波器带宽不变的情况下得出更小的平均干扰电平。
这样的方法大多以三角形或锯齿形调制函数、低的调制频率、以及高的调制指数工作，并且在一些市场上可购买的用于开关电源(例如Topswitch)的控制组件中已经被实施。在此，干扰电平的峰值并未被降低，因为频谱分量彼此之间具有比干扰电平测量设备的规定的滤波器带宽更小的频率间隔。
为了进一步改善开关电源的电磁兼容性，还应力求减小干扰电平峰值。
在Wiemer I.的文献“Freiprogrammierbare Ansteuerung eines”(德累斯顿工业大学学业论文，德累斯顿，2001年11月30日)中描述了一种使用许多离散调制频率的混沌频率调制方法。因此，将干扰频谱几乎任意地与可用的滤波器相匹配并且同时降低干扰电平的峰值是可行的。然而，该方法需要使用具有高计算能力的(信号)处理器。
发明内容
本发明所基于的任务是，改进从现有技术中公知的用于改善开关电源的电磁兼容性的方法。
根据本发明，该任务利用开头所述类型的方法来解决，其中利用大于频带宽度的调制频率来调制开关频率。在此，所述频带宽度对应于干扰电平测量设备的预先规定的滤波器带宽。所述开关信号通常被构造为经过脉冲宽度调制的矩形信号，由此在未经调制的情况下在具有奇数阶数的谐波处形成峰值电平。
利用根据本发明的方法，通过在有关谐波的范围内构造所谓的谐波组来有效地减小临界(kritisch)谐波的峰值电平。在此，处于在未经开关频率调制的情况下将会出现峰值电平的频率附近的频谱中的频率的电平近似地具有与现在被减小的峰值电平相等的水平。因此，尤其是在频谱的低范围中导致干扰电平的减小，由此减小电源滤波器部件的必要尺寸。正是在所述频率范围中，有效的滤波器部件特别大。
根据本发明的方法可以与上述的根据现有技术的调制方法相组合，以用于进一步减小平均电平。
通过仅仅使用最多五个离散频率，可以在没有附加的处理器的情况下将该方法实现为所谓的频移键控方法。该方法可以以简单的方式利用开关电源的现有开关处理器或控制电路来实现。
在此有利的是，为了调制开关频率而预先给定具有周期性信号形状的调制信号，在最简单的情况下预先给定具有两个离散频率的矩形信号。
由此使得能够在确定的频率范围中将干扰的峰值电平以及平均电平减小高达6dB。尤其可行的是，利用仅仅两个离散频率在直到10MHz的范围中将干扰频谱减小高达6dB。在10MHz以上的范围中，同样可以实现干扰电平的减小，其中干扰大多出现在开关频率的谐波之间。
该方法的另一实施形式规定：为了确定开关信号的频谱的最大允许电平而预先给定下限频率；将频率大于所述极限频率并且具有最大干扰电平的那些谐波确定为开关信号在未经开关频率调制的情况下的频谱的临界谐波。在此，为了调制所述开关频率而预先给定调制指数，该调制指数对应于大约1.42除以临界谐波的阶数的商的值。由此保证将所述临界谐波的峰值电平减小最大可能的量。
此外有利的是，根据开关信号的占空比来确定临界谐波。随着占空比变小，干扰频谱包含越来越多的谐波。因此，在极限频率不变的情况下，改变的占空比引起对临界谐波的重新确定，在所述临界谐波的情况下，出现最大干扰电平。
除了该方法以外，本发明还将一种开关电源作为主题，所述开关电源包括借助于微控制器或控制电路来控制的开关元件，其中所述微控制器或控制电路被设立用于执行根据本发明的方法。在此，该方法以简单的方式在被用于控制开关信号的微控制器中(或在被用于控制开关信号的控制电路中)得以实现。
附图说明
下面参考附图以示例性的方式阐述本发明。其中：
图1以示意图的形式示出时域图中的未经调制的开关信号、调制信号、以及经调制的开关信号。
图2以示意图的形式示出频域图中的未经调制的开关信号。
图3以示意图的形式示出频域图中的经调制的开关信号。
具体实施方式
在图1中示出经调制和未经调制的示例性开关信号在时域中的曲线。在上部的图中绘制有具有开关频率fS(例如60kHz)的(例如在开关电源调节器的输出端处的)未经调制的开关信号SIGS随时间t变化的曲线。在此，假设大致为50％的占空比，使得在图2中的频谱中，奇次谐波具有相应的电平A。
在中部的图中将调制信号MOD示例性地表示为矩形函数。替代于此，也可以预先给定锯齿形信号、三角形信号、正弦信号、或者其它信号。根据本发明，调制频率fM大于干扰电平测量设备的预先规定的滤波器带宽(例如在滤波器带宽为10kHz的情况下为10.5kHz)。
在图2中示出频域中的未经调制的信号。该频谱在一次、三次、五次、七次谐波等处具有干扰电平，其中一次和三次谐波的干扰电平超过允许的电平绝对值|Azul|。由于电平的符号对评价电磁兼容性来说不重要，因此仅仅示出随着开关频率fS变化的电平绝对值|A|。
EMV规定对从极限频率fG(例如100Hz)起限制干扰电平进行规定。在低于该极限频率fG的频率处出现的干扰电平可以忽略。在本例中，在极限频率fG以上，在三次谐波处出现超过允许的电平绝对值|Azul|的峰值干扰电平，因此该三次谐波被确定为临界谐波。例如傅立叶变换或者拉普拉斯变换可以用于确定该临界谐波。
图3示出经调制的开关信号SIGS-MOD的频谱，该开关信号SIGS-MOD随时间t变化的曲线在图1中的下部的图中示出。在此，通过示例性地应用根据本发明的方法来减小三次谐波的峰值电平。
有利地利用下面的公式来确定调制指数：
η＝Δf/fM ≈1,42/n
在此，n为临界谐波的阶数(例如为3)，fM为调制频率(例如10.5kHz)，并且Δf为频率偏移(在矩形调制信号的情况下两个离散开关频率fS1、fS2与中频fS的偏差)。
在示例性的未经调制的开关频率fS等于60kH的情况下，针对频移键控方法(利用矩形调制信号的调制)得出如下的离散开关频率fS1、fS2：
Δf≈1,42/n＊fM＝1,42/3＊10,5≈5kHz
fS1≈55kHz
fS2≈65kHz
由于高的调制频率fM，开关频率fS在几个开关脉冲之后(例如如图1中下部的图中所示，在4或6个开关脉冲之后)在两个离散频率fS1、fS2之间变化。
因此，在频谱(图3)中，在谐波的范围内形成谐波组，其中峰值电平相对于未经调制的开关频率fS(图2)减小高达6dB。尤其是对应于临界谐波的谐波组具有明显减小的峰值电平，因为该谐波组的三个中频的电平值近似地大小相等。
作为该调制方法的结果，这些谐波组的所有峰值电平都低于允许的电平绝对值|Azul|。在此，可以附加地叠加根据现有技术的用于减小平均电平的调制方法。
Claims (8)
1.一种用于运行开关电源的方法，所述开关电源包括借助于具有可变开关频率(fS)的开关信号(SIGS)来接通和断开的开关元件，其中为了确定所述开关信号(SIGS)的频谱的平均电平(A)预先给定频带宽度，其特征在于，利用大于所述频带宽度的调制频率(fM)来调制所述开关频率(fS)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了调制所述开关频率(fS)预先给定具有周期性信号形状的调制信号(MOD)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了调制所述开关频率(fS)预先给定最多五个离散频率(fS1，fS2)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将矩形信号预先给定为调制信号(MOD)。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述调制频率(fM)超过所述频带宽度大约5％。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，
-为了确定所述开关信号(SIGS)的频谱的最大电平预先给定下限频率(fG)；
-将频率大于所述极限频率(fG)并且具有最大干扰电平(A)的那些谐波确定为所述开关信号(SIGS)在未经开关频率调制的情况下的频谱的临界谐波；
-此外为了调制所述开关频率(SIGS)预先给定调制指数(η)，所述调制指数(η)对应于大约1.42除以所述临界谐波的阶数(n)的商的值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述开关信号(SIGS)的占空比来确定所述临界谐波。
8.一种开关电源，所述开关电源包括借助于微控制器或控制电路来控制的开关元件，其特征在于，所述微控制器或控制电路被设立用于执行根据权利要求1至7之一所述的方法。
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