CN101888175A - 具有频率抖动功能的脉冲宽度调制控制器及相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有频率抖动功能的脉冲宽度调制控制器包含有振荡器及临界电压产生器。该振荡器用来根据上临界电压及下临界电压，产生切换频率信号。该临界电压产生器耦接于该振荡器，用来产生该上临界电压和该下临界电压，并对该上临界电压或该下临界电压中至少其一进行调制，使其随着时间的推移而改变，以抖动该切换频率信号。

Description

具有频率抖动功能的脉冲宽度调制控制器及相关方法
技术领域
本发明有关于一种具有频率抖动功能的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制器及相关方法，用以降低交换式电源供应器造成的电磁干扰(Electro-Magnetic Interference，EMI)。
背景技术
电源供应器将交流电源电压转换为直流电压的技术目前已被广泛应用于集成电子装置中。电源供应器可以将输出电压、电流或电能维持在稳定的范围内，以使电子装置的操作安全及有效率。相较于传统线性电源供应器，利用脉冲宽度调制控制器来运作的交换式电源供应器因具有高效率而被广泛使用。
请参考图1。图1是一传统交换式电源供应器10的示意图。一般来说，电源供应器10包含变压器100、晶体管102、脉冲宽度调制控制器104、光耦合器106以及误差放大器108。脉冲宽度调制控制器104产生开关信号VPWM，以通过晶体管102来控制变压器100的开/关状态。开关信号VPWM的工作周期(duty cycle)决定了从变压器100的一次侧线圈NP传输到变压器100的二次侧线圈NS的电能。因此，为了将二次侧线圈NS的直流电压维持在一稳定范围内，光耦合器106与误差放大器108所形成的反馈电路将提供反馈电压VFB，以改变开关信号VPWM的工作周期。
脉冲宽度调制控制器的问题在于其操作频率相对于交流电源信号来说过高，使得电源供应器容易产生高频信号。此高频信号会被注入交流电源信号，而成为交流电源信号的一部分。另外，此高频信号及其谐波亦会以电磁波的形式由电源供应器扩散出去，此实际上为产生电磁干扰的最大原因。电源供应器产生的电磁波会干扰邻近的通讯装置，而注入交流电源信号的高频信号亦会对其他连接至相同交流电源信号的装置形成噪声。更进一步地说，电源供应器产生的电磁波会对以空气为传输媒介的信号(如无线电或电视信号)造成干扰。
因此，为了改善电磁干扰的问题，已知技术会利用一抖动频率信号(jittered clock source)来作为脉冲宽度调制控制器的操作频率，使得脉冲宽度调制控制器的切换频率分布于一较大频宽，从而最小化电源供应器所产生电磁干扰的尖峰值。然而，由于抖动频率信号一般是通过将一时变信号(如时变电流或时变电容)并入振荡器的振荡频率而产生，因此在脉冲宽度调制控制器里，除了原本的振荡器外另需要一外部频率产生电路来产生时变信号，导致电源供应器的尺寸及成本的增加。
发明内容
因此，本发明的目的在于揭露一种具有频率抖动功能的脉冲宽度调制控制器，用以降低电源供应器造成的电磁干扰。
本发明提供一种具有频率抖动功能的脉冲宽度调制控制器。该脉冲宽度调制控制器包含振荡器，用来根据上临界电压及下临界电压，产生切换频率信号，以及临界电压产生器，耦接于该振荡器，用来产生该上临界电压及该下临界电压，并对该上临界电压及该下临界电压中至少其一进行调制，使其随着时间的推移而改变，以抖动该切换频率信号。
本发明还提供一种具有频率抖动功能的脉冲宽度调制控制器。该脉冲宽度调制控制器包含振荡器，用来根据上临界电压及下临界电压，产生切换频率信号，以及分压器，耦接于该振荡器，用来对电源电压进行分压，以产生该上临界电压及该下临界电压，并利用该电源电压在对后端负载进行储能或释能操作时所产生的电位突变(glitch)，调制该上临界电压及该下临界电压，使其随着时间的推移而改变，以抖动该切换频率信号。
本发明还提供一种用于脉冲宽度调制控制器的频率抖动方法。该频率抖动方法包含根据上临界电压及下临界电压，产生切换频率信号，以及调制该上临界电压及该下临界电压中至少其一，使其随着时间的推移而改变，以抖动该切换频率信号。
附图说明
图1是一传统交换式电源供应器的示意图。
图2是本发明实施例具有频率抖动功能的一脉冲宽度调制控制器的示意图。
图3说明了本发明临界电压产生器的实施例示意图。
图4为图3中的上临界电压、下临界电压、锯齿波及切换频率信号的时序示意图。
图5为本发明临界电压产生器的另一实施例示意图。
图6为本发明临界电压产生器的又一实施例示意图。
图7为图5与图6中的上临界电压、下临界电压、锯齿波以及切换频率信号的时序示意图。
图8为本发明实施例的一频率抖动流程的示意图。
[主要元件标号说明]
  10   传统交换式电源供应器
  100   变压器
  102   晶体管
  104   脉冲宽度调制控制器
  106   光耦合器
  108   误差放大器
  20   脉冲宽度调制控制器
  21   振荡器
  212   锯齿波产生器
  10   传统交换式电源供应器
  214、216   比较器
  218   RS触发器
  22   临界电压产生器
  61、62   电源流
  63   储能开关
  64   释能开关
  80   流程
  800、810、820   步骤
  AC in   输入电源
  ba...bn   可控制的输入信号
  C1   电容
  clk、clkB   控制信号
  D/A   数字/模拟转换器
  I1   储能电流
  I2   蓄能电流
  Osc_out   频率
  VDD   电源电压
  VH   上临界电压
  VL   下临界电压
  VOUT   输出电压
  VPWM   开关信号
  VREF   参考电压
  10   传统交换式电源供应器
  Vrst   重置信号
  VSAW   锯齿波
  Vset   设置信号
具体实施方式
请参考图2。图2是本发明实施例具有频率抖动功能的一脉冲宽度调制控制器20的示意图。脉冲宽度调制控制器20用来控制交换式电源供应器，包含有振荡器21及临界电压产生器22。振荡器21用来根据上临界电压VH及下临界电压VL，产生切换频率信号Osc_out。振荡器21包含有锯齿波产生器212、第一比较器214、第二比较器216以及RS触发器218。锯齿波产生器212用来产生锯齿波VSAW。第一比较器214包含正输入端耦接于上临界电压VH，以及负输入端耦接于锯齿波产生器212。当锯齿波VSAW上升至上临界电压VH时，第一比较器214会产生重置信号Vrst。第二比较器216包含正输入端耦接于锯齿波产生器212，以及负输入端耦接于下临界电压VL。当锯齿波VSAW下降至下临界电压VL时，第二比较器216会产生设置信号Vset。RS触发器218包含一重置端耦接于第一比较器214，以及一设置端耦接于第二比较器216。RS触发器218根据重置信号Vrst及设置信号Vset来产生切换频率信号Osc_out。更明确地说，RS触发器218在接收到重置信号Vrst时会输出低电平的切换频率信号Osc_out，而RS触发器218在接收到设置信号Vset时会输出高电平的切换频率信号Osc_out。另外，切换频率信号Osc_out会反馈至锯齿波产生器212，以用来产生锯齿波VSAW。振荡器21的详细操作是本领域技术人员所熟知，于此不赘述。
临界电压产生器22耦接于振荡器21，用来产生上临界电压VH以及下临界电压VL。此外，临界电压产生器22会对上临界电压VH或下临界电压VL中至少其一进行调制，使其随着时间的推移而改变，以让振荡器21产生的切换频率信号Osc_out产生抖动。换句话说，只要锯齿波VSAW的上升斜率或下降斜率保持不变，通过调制振荡器的临界电压使其随着时间的推移而改变，锯齿波VSAW到达临界电压所需的时间也会跟着改变，进而改变振荡器21所产生的频率。在此情况下，脉冲宽度调制控制器20的操作频率会产生抖动，并分布于一较大的频宽，而将电源供应器所产生电磁干扰的尖峰值最小化。
较佳地，临界电压产生器22可简单地以分压器所实现。请参考图3。图3说明了本发明临界电压产生器22的实施例示意图。如图3所示，临界电压产生器22为电阻分压器，用来对电源电压VDD进行分压，以产生上临界电压VH和下临界电压VL。由于电源电压VDD在对后端负载进行储能或释能的操作时可能会对电源电压VDD本身形成电位突变(glitch)，而这些电位突变将会使上临界电压VH和下临界电压VL随着时间的推移改变。因此，振荡器21所产生的切换频率信号Osc_out会根据时变临界电压而产生抖动。关于上临界电压VH、下临界电压VL、锯齿波VSAW以及切换频率信号Osc_out间的时序关系，请参考图4。
因此，本发明实施例利用电源电压VDD本身电位突变所产生的时变临界电压，可以使振荡器21所产生的切换频率信号Osc_out产生抖动。也就是说，在脉冲宽度调制控制器里除了原本的振荡器之外，并不需要另一外部频率产生电路来产生时变信号，而可大幅降低电源供应器的尺寸及成本。
当然，临界电压产生器22亦可通过其它方式实现，只要上临界电压VH或下临界电压VL中至少其一可以随着时间的推移形成时变临界电压，而对振荡器21所输出的切换频率信号Osc_out产生抖动。请参考图5。图5为本发明临界电压产生器22的另一实施例示意图。临界电压产生器22为一信号转换器，用来对可控制的输入信号b0～bn进行信号转换，以产生随时间变化的上临界电压VH或下临界电压VL。在图5中，临界电压产生器22可利用数字/模拟转换器来实现，而可控制的输入信号b0～bn是由数字编码生成器(未显示于图5)所产生。
另外，振荡器21的临界电压也可通过模拟的方式来产生或调制。请参考图6。图6为本发明临界电压产生器22的又一实施例示意图。如图6所示，临界电压产生器22包含第一电流源61，第二电流源62、储能开关63、释能开关64以及电容C1。第一电流源61及第二电流源62分别用来提供储能电流I1以及释能电流I2。储能开关63及释能开关64分别由控制信号clk及clkB来控制开/关状态，而控制信号clk及clkB有着相反的相位。因此，储能电流I1便可经由储能开关63对电容C1储能，而释能电流12便可经由释能开关64对电容C1释能，以产生上临界电压VH或下临界电压VL中至少其一。在此情况下，本发明实施例通过固定的储能电流I1与释能电流12，便可产生具有三角波形式的稳定时变上临界电压VH或下临界电压VL，进而使振荡器21所输出的切换频率信号Osc_out产生抖动。
请参考图7。图7为图5与图6中的上临界电压VH、下临界电压VL、锯齿波VSAW以及切换频率信号Osc_out的时序示意图。在图7中，仅有上临界电压VH会随着时间的推移而改变，而下临界电压VL则为固定值。类似地，在本发明其它实施例中，下临界电压VL可随着时间的推移而改变，而上临界电压VH为一固定值，同样可以对振荡器21所输出的切换频率信号Osc_out产生抖动。
请注意，上述实施例仅为本发明的临界电压产生器22的一举例说明，本领域技术人员当可根据实际需求作适当地修改，而不限于此。例如，振荡器的临界电压可以调制成其它形状的波型，其相关操作与上述实施例类似，于此不赘述。
此外，请参考图8。图8是本发明实施例的一频率抖动流程80的示意图。频率抖动流程80是上述脉冲宽度调制控制器20的一操作流程，其包含有下列步骤：
步骤800：开始。
步骤810：根据上临界电压或下临界电压来产生切换频率信号。
步骤820：对上临界电压或下临界电压中至少其一进行调制，使其随着时间的推移而改变，以让切换频率信号产生抖动。
步骤830：结束。
根据频率抖动流程80，切换频率信号是根据振荡器的上临界电压和下临界电压所产生。通过对上临界电压或下临界电压中至少其一进行调制，使其随着时间的推移而改变，可以使切换频率信号产生抖动并分布于一较大的频宽，进而减少交换式电源供应器所产生的电磁干扰。脉冲宽度调制控制器的运作方式已详细说明于上述实施例中，于此不再赘述。
综上所述，通过调制振荡器的临界电压使其随着时间的推移而改变，脉冲宽度调制控制器的操作频率会产生抖动并分布于一较大的频宽，以最小化交换式电源供应器所产生电磁干扰的尖峰值，进而降低电磁干扰的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (21)

1.一种具有频率抖动功能的脉冲宽度调制控制器，包含：
振荡器，用来根据上临界电压及下临界电压，产生切换频率信号；以及
临界电压产生器，耦接于该振荡器，用来产生该上临界电压及该下临界电压，并对该上临界电压及该下临界电压中至少其一进行调制，使其随着时间的推移而改变，以抖动该切换频率信号。
2.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制控制器，其中该振荡器包含：
锯齿波产生器，用来产生锯齿波；
第一比较器，包含正输入端耦接于该上临界电压，及负输入端耦接于该锯齿波产生器，用来于该锯齿波提升至该上临界电压时产生重置信号；
第二比较器，包含正输入端耦接于该锯齿波产生器，及负输入端耦接于该下临界电压，用来于该锯齿波下降至该下临界电压时产生设置信号；以及
RS触发器，包含重置端耦接于该第一比较器，及设置端耦接于该第二比较器，用来根据该重置信号及该设置信号，产生该切换频率信号；
其中该切换频率信号还反馈至该锯齿波产生器，用以控制该锯齿波的产生。
3.根据权利要求2所述的脉冲宽度调制控制器，其中该RS触发器是与非门形式的RS触发器。
4.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制控制器，其中该临界电压产生器为信号转换器，用来对可控制的输入信号进行信号转换，以产生该上临界电压或该下临界电压。
5.根据权利要求4所述的脉冲宽度调制控制器，其中该上临界电压或该下临界电压是根据该可控制的输入信号来进行调制，以使其随着时间的推移而改变。
6.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制控制器，其中该临界电压产生器包含：
第一电流源，用来提供储能电流；
第二电流源，用来提供释能电流；
储能开关；
释能开关；以及
电容，用来通过该储能开关以该储能电流来进行储能，及通过该释能开关以该释能电流来进行释能，以产生该上临界电压或该下临界电压。
7.根据权利要求6所述的脉冲宽度调制控制器，其中该上临界电压或该下临界电压被调制为三角波。
8.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制控制器，其中该上临界电压或该下临界电压为固定值。
9.一种具有频率抖动功能的脉冲宽度调制控制器，包含：
振荡器，用来根据上临界电压及下临界电压，产生切换频率信号；以及
分压器，耦接于该振荡器，用来对电源电压进行分压，以产生该上临界电压及该下临界电压，并利用该电源电压在对后端负载进行储能或释能操作时所产生的电位突变，调制该上临界电压及该下临界电压，使其随着时间的推移而改变，以抖动该切换频率信号。
10.根据权利要求9所述的脉冲宽度调制控制器，其中该振荡器包含：
锯齿波产生器，用来产生锯齿波；
第一比较器，包含正输入端耦接于该上临界电压，及负输入端耦接于该锯齿波产生器，用来于该锯齿波提升至该上临界电压时产生重置信号；
第二比较器，包含正输入端耦接于该锯齿波产生器，及负输入端耦接于该下临界电压，用来于该锯齿波下降至该下临界电压时产生设置信号；以及
RS触发器，包含重置端耦接于该第一比较器，及设置端耦接于该第二比较器，用来根据该重置信号及该设置信号，产生该切换频率信号；
其中该频率切换信号还反馈至该锯齿波产生器，用以控制该锯齿波的产生。
11.根据权利要求10所述的脉冲宽度调制控制器，其中该RS触发器为与非门形式的RS触发器。
12.一种用于脉冲宽度调制控制器的频率抖动方法，包含有：
根据上临界电压及下临界电压，产生切换频率信号；以及
调制该上临界电压及该下临界电压中至少其一，使其随着时间的推移而改变，以抖动该切换频率信号。
13.根据权利要求12所述的频率抖动方法，其中根据该上临界电压及该下临界电压，产生该切换频率信号，包含有：
于该锯齿波提升至该上临界电压时，产生重置信号；
于该锯齿波下降至该下临界电压时，产生设置信号；以及
根据该重置信号及该设置信号，产生该切换频率信号。
14.根据权利要求13所述的频率抖动方法，其中该切换频率信号于该重置信号被接收到时为低电平，而于该设置信号被接收到时为高电平。
15.根据权利要求12所述的频率抖动方法，其中该上临界电压及该下临界电压是对电源电压进行分压所产生。
16.根据权利要求15所述的频率抖动方法，其中该上临界电压及该下临界电压皆利用该电源电压在对后端负载进行储能或释能操作时所产生的电位突变来进行调制。
17.根据权利要求12所述的频率抖动方法，其中该上临界电压及该下临界电压中至少其一是对可控制的数字输入信号，进行数字至模拟转换而产生。
18.根据权利要求17所述的频率抖动方法，其中该上临界电压及该下临界电压中至少其一是根据该可控制的数字输入信号来进行调制，以使其随着时间的推移而改变。
19.根据权利要求12所述的频率抖动方法，其中该上临界电压及该下临界电压中至少其一是通过对电容进行储能与释能而产生。
20.根据权利要求19所述的频率抖动方法，其中该上临界电压及该下临界电压中至少其一是被调制为三角波。
21.根据权利要求12所述的频率抖动方法，其中该上临界电压或该下临界电压为固定值。
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