CN101877531A - 开关电源及其使用的频率抖动生成装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关电源及其使用的频率抖动生成装置和方法。所述开关电源包括输入电路、输出电路和反馈控制回路。其中的反馈控制回路又包括变压器、控制器和功率开关管，该功率开关管的漏极连接到变压器的原边线圈、源极和栅极连接到控制器；其中的输出电路连接到所述变压器的副边线圈。其中所述控制器是根据自身生成的具有输出适应频率摆幅的抖动频率和反馈控制回路提供的反馈信号来改变开关管的开关周期以调节输出电压。实施本发明的开关电源、频率抖动方案和装置，能够使用便宜、简单的EMI滤波器来进行EMI滤波，还能够在轻负载条件下将开关电源的输出噪声保持在较低水平。而且，本发明还可通过感应负载电流，进而对频率抖动的摆幅进行调节。

Description

开关电源及其使用的频率抖动生成装置和方法

技术领域

本发明涉及开关电源，更具体地说，涉及具有频率抖动生成功能的开关电源及其使用的频率抖动生成装置和方法。

背景技术

使用开关电源面临的常见问题是其开关频率通常较高，而这一高频信号会耦合到电网电压并成为电网电压的组成部分，从而给其他连接到电网上的用电设备带来噪声干扰。另外，该高频信号也会以电磁波的形式传导或辐射，从而对电源周围的通信设备产生电磁干扰(EMI)。

常用的抑制EMI的方法是引入频率抖动以便将开关频率扩展到一个较宽的频带，从而降低电源在某个频率点生成的EMI峰值。现有的频率抖动EMI衰减技术方案已在图1中示出。图1所示的频率抖动装置包括电流控制充/放电振荡器111、7位数字计数器140和数模转换器150。振荡器111包括可定期充放电的电容134，迟滞比较器136用于检测电容134的电压并生成可控制电容134经充放电电路充电和放电的输出信号101。接着，该7位数字计数器140对振荡器输出信号101计时，接着该7位数字计数器140输出驱动D/A转换器150，该D/A转换器150的输出113连接到振荡器111的控制输入端以改变振荡频率。

虽然在图1示出的频率抖动方案中，无需使用到体积庞大并且昂贵的EMI滤波器，但是其增加了平均噪声基值，而这在某些特定应用，如高保真音频系统中是不能接受的。这是因为高保真音频系统在较高音量时其能够容忍开关电源生成较高的平均输出噪声基值，但是在较轻音量时将变得对噪声非常敏感。

因此，需要一种频率抖动技术方案，其不但能够使用便宜、简单的EMI滤波器来进行EMI滤波，还能够在轻负载条件下将开关电源的输出噪声保持在较低水平。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种不但能够使用便宜、简单的EMI滤波器来进行EMI滤波，还能够在轻负载条件下将开关电源的输出噪声保持在较低水平的频率抖动技术方案。

本发明解决上述技术问题所采用的第一技术方案是，构造一种频率抖动装置，其中包括：

可变状态机，用于生成可变逻辑数；

延时生成器，用于生成延时信号；

数字控制脉冲密度生成器，用于根据可变逻辑数和延时信号生成PWM控制信号；

PWM控制电流源，用于根据PWM控制信号生成输出信号；

电流控制振荡器，用于根据PWM控制电流源的输出信号生成时钟信号；

其中，所述时钟信号可反馈到可变状态机以更新可变逻辑数，并由此生成随时钟周期改变的抖动时钟信号。

优选地，所述数字控制脉冲密度生成器用于根据所述可变逻辑数生成一组具有不同高低密度的脉冲。

优选地，所述数字控制脉冲密度生成器进一步包括：

多个串联的逆变器构成的环形振荡器；

用于生成不同高低密度脉冲序列的组合逻辑电路；

由解码器控制的开关网络实现的多路选择器；

其中，所述PWM控制信号可通过在环形振荡器中插入延时信号以及从解码器接收可变逻辑数来获得。

优选地，上述脉冲密度函数P_density由等式(1)表示：

$P_{\mathrm{density}}\left(n\right)=\frac{T_H\left(n\right)}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)}$ 等式(1)

其中，TH(n)和TL(n)分别表示高、低脉冲宽度。

优选地，TH(n)+TL(n)为定值。

优选地，可通过将延时生成器生成的延时信号添加到所述脉冲密度函数来生成所述PWM控制信号D_PWM，并且所述PWM控制信号D_PWM可由等式(2)表示：

$D_{\mathrm{PWM}}\left(n\right)=\frac{T_H\left(n\right)+T_D}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)+T_D}$ 等式(2)

其中，T_D表示延时信号。

优选地，PWM控制电流源生成的输出信号强度可由等式(3)表示：

I_c(D_PWM)＝I_s×D_PWM                       等式(3)

其中，I_s是预设恒流源。

优选地，抖动时钟信号的频率的摆幅百分比可由等式(4)表示：

$\mathrm{\ΔOSC}\left(\mathrm{Vc}\right)=\frac{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)+T_D\left(\mathrm{Vc}\right)}\×100\%$ 等式(4)

本发明解决上述技术问题所采用的第二技术方案是，构造一种频率抖动方法，其中包括：

S1：生成可变逻辑数；

S2：生成延时信号；

S3：根据可变逻辑数和延时信号生成PWM控制信号；

S4：根据PWM控制信号生成输出信号；

S5：根据所述输出信号生成时钟信号；

最后，通过时钟信号的反馈来更新可变逻辑数，并由此生成随时钟周期改变的抖动时钟信号。

优选地，步骤S3进一步包括根据可变逻辑数生成一组具有不同高低密度的脉冲。

优选地，脉冲密度函数P_density由等式(1)表示：

$P_{\mathrm{density}}\left(n\right)=\frac{T_H\left(n\right)}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)}$ 等式(1)

其中，TH(n)和TL(n)分别表示高、低脉冲宽度。

优选地，TH(n)+TL(n)为定值。

优选地，可通过将延时生成器生成的延时信号添加到所述脉冲密度函数来生成所述PWM控制信号D_PWM，并且所述PWM控制信号D_PWM可由等式(2)表示：

$D_{\mathrm{PWM}}\left(n\right)=\frac{T_H\left(n\right)+T_D}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)+T_D}$ 等式(2)

其中，T_D表示延时信号。

优选地，PWM控制电流源生成的输出信号强度可由等式(3)表示：

I_c(D_PWM)＝I_s×D_PWM                         等式(3)

其中，I_s是预设恒流源。

优选地，抖动时钟信号的频率的摆幅百分比可由等式(4)表示：

$\mathrm{\ΔOSC}\left(\mathrm{Vc}\right)=\frac{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)+T_D\left(\mathrm{Vc}\right)}\×100\%$ 等式(4)

本发明解决上述技术问题所采用的第三技术方案是，构造一种开关电源，所述开关电源包括输入电路和输出电路。其中，开关电源还包括反馈控制回路，反馈控制回路又包括变压器、控制器、功率开关管，该功率开关管的漏极连接到所述变压器的原边线圈、源极和栅极连接到控制器，输出电路连接到变压器的副边线圈。

其中，所述控制器是根据自身生成的具有输出适应频率摆幅的抖动频率和反馈控制回路提供的反馈信号来改变开关管的开关周期以调节输出电压。

优选地，上述控制器进一步包括频率抖动装置和PWM控制器，其中频率抖动装置根据反馈控制回路提供的反馈信号生成具有输出适应频率摆幅的抖动频率；PWM控制器根据频率抖动装置生成的具有输出适应频率摆幅的抖动频率和反馈控制回路提供的反馈信号来改变开关管的开关周期以调节输出电压。

优选地，所述频率抖动装置进一步包括：

可变状态机，用于生成可变逻辑数；

延时生成器，用于生成延时信号；

数字控制脉冲密度生成器，用于根据可变逻辑数和延时信号生成PWM控制信号；

PWM控制电流源，用于根据PWM控制信号生成输出信号；

电流控制振荡器，用于根据PWM控制电流源的输出信号生成时钟信号；

其中，所述时钟信号可反馈到可变状态机以更新可变逻辑数，并由此生成随时钟周期改变的抖动时钟信号。

优选地，所述数字控制脉冲密度生成器用于根据所述可变逻辑数生成一组具有不同高低密度的脉冲。

优选地，所述数字控制脉冲密度生成器进一步包括：

多个串联的逆变器构成的环形振荡器；

用于生成不同高低密度脉冲序列的组合逻辑电路；

由解码器控制的开关网络实现的多路选择器；

其中，所述PWM控制信号可通过在环形振荡器中插入延时信号以及从解码器接收可变逻辑数来获得。

优选地，上述脉冲密度函数P_density由等式(1)表示：

$P_{\mathrm{density}}\left(n\right)=\frac{T_H\left(n\right)}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)}$ 等式(1)

其中，TH(n)和TL(n)分别表示高、低脉冲宽度。

优选地，TH(n)+TL(n)为定值。

优选地，可通过将延时生成器生成的延时信号添加到所述脉冲密度函数来生成所述PWM控制信号D_PWM，并且所述PWM控制信号D_PWM可由等式(2)表示：

$D_{\mathrm{PWM}}\left(n\right)=\frac{T_H\left(n\right)+T_D}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)+T_D}$ 等式(2)

其中，T_D表示延时信号。

优选地，PWM控制电流源生成的输出信号强度可由等式(3)表示：

I_c(D_PWM)＝I_s×D_PWM                            等式(3)

其中，I_s是预设恒流源。

优选地，抖动时钟信号的频率的摆幅百分比可由等式(4)表示：

$\mathrm{\ΔOSC}\left(\mathrm{Vc}\right)=\frac{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)+T_D\left(\mathrm{Vc}\right)}\×100\%$ 等式(4)

采用本发明的开关电源、频率抖动方案和装置，可通过使用低成本的EMI滤波器来进行EMI滤波，还能够在轻负载条件下将开关电源的输出噪声保持在较低水平。

而且，本发明的开关电源、频率抖动方案和装置还可通过感应负载电流，进而对频率抖动的摆幅进行调节。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术的频率抖动机制的示意图；

图2是本发明的具有负载适应频率抖动机制的开关电源的第一实施例的结构框图；

图3是根据本发明改变电源的频率摆幅百分比的信号流程示意图；

图4是根据图3的流程图实施的用于改变开关频率并具有可控频率摆幅的频率抖动装置的原理框图；

图5是图4中示出的装置PWM控制、电流控制和振荡信号的时序图。

具体实施方式

本发明的各种优点、各个方面和创新特征，以及其中所示例的实施细节，在说明书和附图中进行了详细介绍。虽然文中示出了本发明的各种实施例，但在此是用于说明而非用于限制本发明的。

本发明的主要目的是提供一种频率抖动方案，其可通过使用低成本的EMI滤波器来进行EMI滤波，还能够在轻负载条件下将开关电源的输出噪声保持在较低水平。

图2是本发明的具有负载适应频率抖动机制的开关电源的第一实施例的结构框图。该开关电源包括EMI滤波器211、整流桥212和滤波电容213组成的输入电路，变压器215、控制器214、功率开关管216、电流感应电阻217，以及由输出二极管220、输出电容221、输出电压感应电阻222、齐纳二极管223和光耦224组成的输出电路。其中所述控制器214进一步包括PWM控制器233和频率抖动控制装置232。

首先由EMI滤波器211对电网电压210进行滤波，然后由整流桥212对其进行整流以生成整流电网电压。电容213用于平滑该整流后的正弦电网电压以生成纹波更小的DC电网电压218。DC电网电压218可提供给变压器215的原边线圈。功率开关管216和变压器215、输出二极管220和输出电容221形成反激变换器。当功率开关管216开启时，能量将存储在变压器215的原边线圈中；当功率开关管216关闭时，存储在变压器215的原边线圈中的能量将转移到输出电容221和负载225中。功率开关管216的开关周期比确定了DC输出电压。

由功率开关管216、变压器215、输出二极管220、输出电压感应电阻222、齐纳二极管223、光耦224和控制器214构成的DC输出反馈控制回路240可将DC输出电压维持恒定。通过使用由齐纳二极管223和光耦224串联形成的反馈回路将反馈信息反馈到功率开关管216，进而确定开关周期比。光耦224将反馈电流提供给控制器214的FB引脚，电阻231随即将该反馈电流转换成反馈电压V_FB。反馈电压V_FB耦合到功能模块PWM控制器233以改变功率开关管的开关周期比，进而调节输出电压。反馈电压V_FB同时耦合到频率抖动控制装置232以调节频率摆幅。由于V_FB是由与通过电阻225的负载电流成正比的反馈电流转换而来的，因此频率摆幅百分比随负载电流的增加而增加。这样，通过频率抖动控制装置232，可在DC输出反馈控制回路240中引入具有负载适应的频率摆幅的抖动频率。

虽然在本发明的优选实施例中是通过从反馈电流转换而来的电压来控制负载适应的频率摆幅的。但是实际上，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，从平均电源电流或功率开关管216的开关占空比获得的电流或电压都可用于负载适应的频率摆幅调节。

参照图3中示出的流程图，图4中给出了模块化来进行频率抖动控制方法的信号流程图。本领域技术人员知悉，在本发明的教导下，也可采用其他的功能模块完成本发明的各个步骤，而不限于本实施例中公开的模块。

在图3示出的实施例中，频率抖动生成过程可分为5个步骤，在此，假设电流或电压控制的延时生成器310生成恒定的延时信号T_D。

步骤1：可变状态机311随机地或是以预定的模式在各个时钟周期生成状态数n。

步骤2：数字控制脉冲生成器312根据可变状态机311输出的状态数n生成一组具有不同高低密度的脉冲，该密度函数P_density由等式(1)表示：

$P_{\mathrm{density}}\left(n\right)=\frac{T_H\left(n\right)}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)}$ 等式(1)

其中，TH(n)和TL(n)分别表示高、低脉冲宽度。在本发明的一个实施例中，TH(n)+TL(n)为定值。

步骤3：通过将延时生成器310生成恒定的延时信号T_D添加到所述脉冲密度函数来设置耦合到PWM控制电流源314的所述PWM控制信号D_PWM的有效占空比，并且所述PWM控制信号D_PWM可由等式(2)表示：

$D_{\mathrm{PWM}}\left(n\right)=\frac{T_H\left(n\right)+T_D}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)+T_D}$ 等式(2)

步骤4：通过PWM控制信号D_PWM的开启周期来控制由PWM控制电流源314生成的输出电流I_c(D_PWM)的电流强度，，该电流强度可由等式(3)表示：

I_c(D_PWM)＝I_s×D_PWM                   等式(3)

其中，I_s是预设恒流源。

步骤5：电流控制振荡器315根据电流I_c生成具有可变频率F_OSC的时钟信号。该时钟信号可反馈到可变状态机311以更新输出的状态数n。由于对于每个时钟循环，状态数都是不同的，因此在每个时钟循环输出的时钟频率F_OSC都是不同的，这样可以产生抖动时钟信号。

频率抖动的引入可通过将开关功率噪声在较宽的频带内进行扩展来最小化电源生成的EMI峰值，从而降低开关电源的EMI效应。功率噪声的扩展效应取决于开关频率的摆幅百分比。例如，较高的开关频率摆幅百分比将使得生成的EMI峰值较低。因此，可通过控制电压Vc来改变延时生成器310生成的延时时间T_D来控制开关频率的摆幅百分比。摆幅百分比ΔOSC可由等式(4)表示：

$\mathrm{\ΔOSC}\left(\mathrm{Vc}\right)=\frac{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)+T_D\left(\mathrm{Vc}\right)}\×100\%$ 等式(4)

优选的T_D范围为1～2μS，TH(n)+TL(n)范围为0.05～0.1μS。例如，如果T_D＝1.5μS且TH(n)+TL(n)＝0.1μS，那么ΔOSC为6.6％。虽然公开的优选的具有负载适应的频率摆幅的频率抖动方案使用的是电压控制延时设置，本发明并不限于此。根据等式(4)的可改变开关频率的摆幅百分比的任何其他设置也可应用于本发明。

本发明还公开了实施负载适应的频率摆幅的频率抖动方案的优选实施例。图4是根据图3的信号流程图实施的用于改变开关频率并具有可控频率摆幅的频率抖动装置的原理框图。该频率抖动装置包括：电压控制延时器410、可变状态机411、数字控制脉冲密度生成器412、PWM控制电流源414和电流控制振荡器415。

可变状态机411可以是随机数生成器或任何可生成可变逻辑数的状态机。该可变逻辑数可供数字控制脉冲密度生成器412用来根据等式(1)改变脉冲序列的高低密度。数字控制脉冲密度生成器412包括由多个串联的逆变器构成的环形振荡器；用于生成不同高低密度脉冲序列的组合逻辑电路；由解码器控制的开关网络实现的多路选择器。根据等式(2)，该PWM控制信号D_PWM可通过在环形振荡器416中插入电压控制延时器410来实现，这样可将可控延时T_D添加到数字控制脉冲密度生成器412定义的循环周期TH(n)+TL(n)中。图5中示出了典型的PWM控制信号D_PWM的波形。该PWM控制信号可耦合到PWM控制电流源414。如图4所示，该PWM控制电流源414可简单地通过串联的开关和电流源来实现。平均输出电流I_c可根据等式(3)由PWM控制信号的有效占空比来确定。如图5所示，该开启占空比越高，电流I_c越大。电流I_c的电流强度限定了电流控制振荡器415的输出频率。在本发明的该实施例中，使用的是弛张振荡器。其可由具有迟滞作用的比较器、电容，用于使电容迅速放电的PMOS开关管和用于逐步为电容充电的PWM控制电流源构成。图5中示出了该弛张振荡器的典型的输出波形OSC。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1.一种频率抖动装置，其特征在于，包括：

可变状态机，用于生成可变逻辑数；

延时生成器，用于生成延时信号；

数字控制脉冲密度生成器，用于根据可变逻辑数和延时信号生成PWM控制信号；

PWM控制电流源，用于根据PWM控制信号生成输出信号；

电流控制振荡器，用于根据PWM控制电流源的输出信号生成时钟信号；

其中，所述时钟信号可反馈到可变状态机以更新可变逻辑数，并由此生成随时钟周期改变的抖动时钟信号。

2.根据权利要求1所述的频率抖动装置，其特征在于，所述数字控制脉冲密度生成器用于根据所述可变逻辑数生成一组具有不同高低密度的脉冲。

3.根据权利要求2所述的频率抖动装置，其特征在于，所述数字控制脉冲密度生成器进一步包括：

由多个串联的逆变器构成的环形振荡器；

用于生成不同高低密度脉冲序列的组合逻辑电路；

由解码器控制的开关网络实现的多路选择器；

其中，生成的PWM控制信号可由环形振荡器、延时信号以及从解码器接收的可变逻辑数通过逻辑组合来获得。

4.根据权利要求3所述的频率抖动装置，其特征在于，所述脉冲密度函数P_density由下列等式表示：

$P_{\mathrm{density}}\left(n\right)=\frac{T_H\left(n\right)}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)}$

其中，TH(n)和TL(n)分别表示高、低脉冲宽度。

5.根据权利要求4所述的频率抖动装置，其特征在于，通过将延时生成器生成的延时信号添加到所述脉冲密度函数来生成所述PWM控制信号D_PWM，并且所述PWM控制信号D_PWM由下列等式表示：

$D_{\mathrm{PWM}}\left(n\right)=\frac{T_H\left(n\right)+T_D}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)+T_D}$

其中，T_D表示延时信号。

6.根据权利要求5所述的频率抖动装置，其特征在于，所述PWM控制电流源生成的输出信号强度可由下列等式表示：

I_c(D_PWM)＝I_s×D_PWM

其中，I_s是预设恒流源。

7.根据权利要求6所述的频率抖动装置，其特征在于，所述抖动时钟信号的频率的摆幅百分比由下列等式表示：

$\mathrm{\ΔOSC}\left(\mathrm{Vc}\right)=\frac{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)}{T_H\left(n\right)+T_L\left(n\right)+T_D\left(\mathrm{Vc}\right)}\×100\%$

8.一种频率抖动方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、生成可变逻辑数；

S2、生成延时信号；

S3、根据所述可变逻辑数和延时信号生成PWM控制信号；

S4、根据所述PWM控制信号生成输出信号；

S5、根据所述输出信号生成时钟信号；

最后，通过时钟信号的反馈来更新可变逻辑数，并由此生成随时钟周期改变的抖动时钟信号。

9.一种开关电源，所述开关电源包括输入电路和输出电路，其特征在于，所述开关电源还包括反馈控制回路；所述反馈控制回路又包括变压器、控制器、功率开关管；所述功率开关管的漏极连接到所述变压器的原边线圈、源极和栅极连接到控制器，输出电路连接到变压器的副边线圈；

其中，所述控制器根据自身生成的具有输出适应频率摆幅的抖动频率和反馈控制回路提供的反馈信号来改变开关管的开关周期以调节输出电压。

10.根据权利要求9所述的开关电源，其特征在于，所述控制器进一步包括频率抖动装置和PWM控制器，其中频率抖动装置根据反馈控制回路提供的反馈信号生成具有输出适应频率摆幅的抖动频率；PWM控制器根据频率抖动装置生成具有输出适应频率摆幅的抖动频率和反馈控制回路提供的反馈信号来改变开关的管开关周期来调节输出电压。

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