CN101997541B

CN101997541B - 频率抖动装置和方法与电源管理装置

Info

Publication number: CN101997541B
Application number: CN200910163386.7A
Authority: CN
Inventors: 叶文中; 沈逸伦
Original assignee: Leadtrend Technology Corp
Current assignee: Leadtrend Technology Corp
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2029-08-17
Also published as: CN101997541A

Abstract

本发明涉及频率抖动装置和方法以及相关的电源管理装置。该频率抖动装置包含有一震荡器以及一频率控制电路。该震荡器用以产生一信号，并用于比较该信号的强度与一参考信号的强度。当该信号的强度大于该参考信号的强度时，该震荡器大致操作于一第一频率；当该信号的强度小于该参考信号的强度时，该震荡器大致操作于一第二频率。该频率控制电路用以变化该参考信号的强度，以改变该信号的频率，使该信号的频率变化于该第一频率与该第二频率之间，该频率控制电路包含有一取样电路，用以取样该信号以作为该参考信号。

Description

频率抖动装置和方法与电源管理装置

技术领域

本发明是有关于电子装置中的震荡器的频率控制方法与装置，尤指使频率抖动以降低电磁干扰(EMI)的方法与装置。

背景技术

切换式电源供应器(switching power supply)已经是大多数消费性电子装置所采用的电源供应器，其透过一功率开关的切换，控制电感中的储能与释能，来提供符合规格要求的电源。如果功率开关的切换，一直是维持于一特定频率，则电磁波很容易透过电子装置中的联机，放射出那特定频率的电磁波，而可能会有电磁干扰的问题。

一种解决电磁干扰的方法是使功率开关的切换频率抖动于一特定频率附近，也就是俗称的频率抖动(frequency jittering)。现有技术中，美国专利编号6107851、6249876以及7391628都有提供不同的频率抖动方法。只是，现有技术中的这些方法，当实施于集成电路中时，都需要可观的芯片面积。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种频率抖动装置和方法与电源管理装置，不需耗费可观的芯片面积。

本实施例提供一种频率抖动装置，包含有一震荡器以及一频率控制电路。该震荡器用以产生一信号，并用于比较该信号的强度与一参考信号的强度。当该信号的强度大于该参考信号的强度时，该震荡器操作于一第一频率；当该信号的强度小于该参考信号的强度时，该震荡器操作于一第二频率。该频率控制电路用以变化该参考信号的强度，以改变该信号的频率，使该信号的频率变化于该第一频率与该第二频率之间，该频率控制电路包含有一取样电路，用以取样该信号以作为该参考信号。

实施例提供一种使一信号的频率抖动的方法。比较该信号的强度与一参考信号的强度。当该信号的强度大于一参考信号的强度时，使一震荡器操作于一第一频率，以产生该信号。当该信号的强度小于该参考信号的强度时，使该震荡器操作于一第二频率，以产生该信号。改变该参考信号，以改变该信号的频率。该参考信号的强度介于该信号的一最大值与一最小值之间。

实施例提供一种电源管理装置，包含有一电感、一功率开关、一控制器以及一频率抖动装置。该电感用以储存能量。该功率开关耦接至该电感，用以控制流经该电感的电流。该控制器用以控制该功率开关。该频率抖动装置包含有一震荡器以及一频率控制电路。该震荡器用以产生一信号，并用于比较该信号的强度与该参考信号的强度。当该信号的强度大于一参考信号的强度时，该震荡器大致操作于一第一频率；当该信号的强度小于该参考信号的强度时，该震荡器大致操作于一第二频率。该频率控制电路用以变化该参考信号的强度，以改变该信号的频率，使该信号的频率变化于该第一频率与该第二频率之间。该频率抖动装置依据该信号而产生一频率信号，控制该控制器。

实施例提供一电源管理装置，包含有一震荡器、一频率控制电路以及一控制器。该震荡器用以产生一信号，具有一频率。该震荡器具有一输入端，接收一参考信号，以控制该频率。该频率控制电路用以产生该参考信号，其中，该参考信号是由抓取一预定时间内的该信号而产生。该控制器耦接至该震荡器，用以控制一电感的电流。

在本发明的频率抖动装置中，频率控制电路通过变化参考信号来改变震动器产生的信号的频率，达到频率抖动的效果。本发明的频率抖动装置可以选择性地不使用记数器，D/A转换器，以及电容矩阵等耗费芯片面积的电路，所以相对地可以是成本比较低的设计。

附图说明

图1为依据本发明实施的一电源管理装置;

图2为图1中的时脉产生装置的一种实施例;

图3为图2中的信号时序图;

图4为图1中的时脉产生装置的另一种实施例;

图5为图2或图4中的频率控制电路的一种实施例;

图6为图5中的取样脉冲波产生器的一实施例;

图7a与图7b为图2实施例结合图5频率控制电路后的一种可能的信号时序图。

【主要元件符号说明】

60：电源管理装置

V_AC：交流电源

V_OUT：输出电源

62：桥式整流器

64：变压器

66：整流器

68：反馈电路

69：输出电容

72：功率开关

74：控制器

100、100a、100b：时脉产生装置

Clk:时脉信号

V_OSC：斜坡信号

76：集成电路

102：频率控制电路

104a、104b：震荡器

V_oscH、V_oscH-jitter：上限

V_oscL、V_oscL-jitter：下限

110b、166：开关

108a、108b、168：电容

112u、112d：电流源

110u、110d：差动开关

106、114、164：比较器

H/L、up/down：信号

V_hold：参考信号

112v：主电流源

160：取样脉冲波产生器

162：取样器

S_sample：取样信号

186、188：AND逻辑门

189：或门

182：脉波产生器

184：阻挡电路

t₁、t₂、t₃、t₄：时间点

dt_u、dt_d：延迟时间

dv_u、dv_d：电压值改变量

具体实施方式

为使本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

为了说明上的方便，具有等同的或是类似的功能将会以相同的元件符号表示。所以，不同实施例中相同的符号的元件不表示两元件必然相同。本发明的范围应以依据权利要求来决定。

图1为依据本发明实施的一电源管理装置60，其为一返驰式(flyback)电源转换器(converter)，将由交流电源V_AC所输入的能量，转换成符合一规格需求的输出电源V_OUT。桥式整流器(bridge rectifier)62大略的将交流电源V_AC整流。功率开关72控制变压器(transformer)64中一次绕组(primary coil)L_p中的电流。当功率开关72开启时(on)，会使变压器64中的储能增加；当功率开关72关闭时(off)，会使变压器64中的储能透过二次绕组(secondary coil)L_s而释放。释放的电能，经过整流器66，存放于输出电容69中，而产生输出电源V_OUT。反馈电路68监测输出电源V_OUT的强度(可能是电流、电压或是功率)，提供反馈信号至控制器74。控制器74还接收时脉产生装置100来的时脉信号Clk以及斜坡信号(ramp signal)V_OSC，来周期地切换功率开关72。控制器74与时脉产生装置100可以整合在一集成电路76中。

请一起参考图2与图3。图2为图1中的时脉产生装置100的一种实施例100a，包含有一频率控制电路102以及一震荡器104a；而图3为图2中的信号时序图。震荡器104a产生时脉信号Clk以及斜坡信号V_OSC，而斜坡信号V_OSC的频率受控于频率控制电路102所提供的参考信号V_hold。譬如说，斜坡信号V_OSC与参考信号V_hold大略都是三角波：参考信号V_hold的频率为400hz，而参考信号V_hold使斜坡信号V_OSC的频率变化于60khz至70khz之间。

比较器114使斜坡信号V_OSC震荡于上限V_oscH与下限V_oscL之间。譬如说，斜坡信号V_OSC的电压值高于或是等于上限V_oscH时，时脉信号Clk成为逻辑准位上的”0”，使得斜坡信号V_OSC开始产生下降。当斜坡信号V_OSC的电压值低于或是等于下限V_oscL时，时脉信号Clk成为逻辑准位上的”1”，使得斜坡信号V_OSC开始产生上升。

震荡器104a可以操作于至少两个状态，包含有一低斜率状态以及一高斜率状态。在低斜率状态时，开关110b使电容108b并联于电容108a，所以电流源112u与112d透过差动开关110u与110d，对电容108a与108b进行充放电。因此，电容108a的一端所产生的斜坡信号V_OSC的上升或是下降斜率就相对的比较低。在高斜率状态时，开关110b使电容108b分离于电容108a。因为仅有电容108a被充放电，所以，斜坡信号V_OSC的上升或是下降斜率就相对的比较高。以另一种说法来表示，当震荡器104a由操作于低斜率状态，切换操作于高斜率状态时，震荡器104a中的一电容的电容值降低；反之亦然。

状态的切换，决定于比较器106比较斜坡信号V_OSC与参考信号V_hold的结果。譬如说，当斜坡信号V_OSC高于参考信号V_hold时，比较器106输出逻辑准位上为”1”的信号H/L；而当斜坡信号V_OSC低于参考信号V_hold时，信号H/L的逻辑准位为”0”。信号H/L则控制了开关110b，决定电容108b是否并联于电容108a。

高斜率状态与低斜率状态可以设定为分别对应到斜坡信号V_OSC的两种频率。譬如说，当震荡器104a一直操作于高斜率状态时，震荡器104a所输出的斜坡信号V_OSC具有70kHz的频率；当震荡器104a一直操作于低斜率状态时，斜坡信号V_OSC则具有60kHz的频率。

由图3可知，参考信号V_hold的电压值控制了斜坡信号V_OSC的频率。如果参考信号V_hold总是不大于斜坡信号V_OSC，震荡器104a就会一直操作于低斜率状态，所以斜坡信号V_OSC的频率就会是60kHz。如果参考信号V_hold总是不小于斜坡信号V_OSC，震荡器104a就会一直操作于高斜率状态，所以斜坡信号V_OSC的频率就会是70kHz。当一个时脉周期中，参考信号V_hold有时大于斜坡信号V_OSC，有时小于斜坡信号V_OSC时，斜坡信号V_OSC的频率就会介于60～70kHz之间，且这个频率会随着参考信号V_hold的电压值升高而升高。换言之，参考信号V_hold可以控制斜坡信号V_OSC的频率。

因此，只要频率控制电路102慢慢的改变参考信号V_hold的电压值，就可以慢慢的改变斜坡信号V_OSC的频率，达到频率抖动的效果。除了改变电容值外，低与高斜率状态也可以透过改变对一电容的充放电电流值来切换，如图4所示。图4为图1中的时脉产生装置100的另一种实施例100b。跟震荡器104a不一样的，震荡器104b只有一个电容108a，比较器106控制了一主电流源112v，而电流源112u与112d则映射(mirror)主电流源112v而产生。当比较器106输出信号H/L为逻辑上的”1”时，主电流源112v的电流值为一比较低电流值，所以电流源112u与112d的电流值也比较低，因此，电容108a的一端所产生的斜坡信号V_OSC的上升或是下降斜率就相对的比较低。相反的，当比较器106输出信号H/L为逻辑上的”0”时，主电流源112v的电流值为一比较高电流值，所以斜坡信号V_OSC的上升或是下降斜率就相对的比较高。图4实施例100b的信号时序图将会类似图3。对照先前的解说后可知，在实施例100b中，参考信号V_hold一样也可以控制斜坡信号V_OSC的频率。

图5为图2或图4中的频率控制电路102的一种实施例。但是，图2或图4中的频率控制电路102也可以采用一现有的震荡器，像是斜坡信号产生器、锯齿波产生器、或是正弦波产生器等，来产生周期性变化的参考信号V_hold。举例来说，频率控制电路102可以是类似震荡器104a或104b的另一个电流充电容的震荡器，以其输出慢频率三角波信号作为参考信号V_hold。

图5中的频率控制电路102具有取样脉冲波产生器(sample pulsegenerator)160、取样器(sampler)162以及比较器(comparator)164。类似图2中的比较器114，比较器(comparator)164比较参考信号V_hold的电压值跟上限V_oscH-jitter与下限V_oscL-jitter其中之一。譬如说，比较器(comparator)164输出信号up/down为逻辑准位的”1”时，代表当下参考信号V_hold应该渐渐上升；当输出信号up/down为逻辑准位的”0”时，代表当下参考信号V_hold应该渐渐下降。上限V_oscH-jitter与下限V_oscL-jitter之间所界定的参考信号V_hold变化范围，最好是落于上限V_oscH与下限V_oscL之间所界定的斜坡信号V_OSC变化范围之内，以确保在一时脉周期中，斜坡信号V_OSC会交越参考信号V_hold。取样脉冲波产生器160依据信号up/down、信号H/L、以及时脉信号Clk，决定取样信号S_sample中脉波的出现时间点。取样器162在收到取样信号S_sample中的脉波时，开关166开启(ON)，使得参考信号V_hold随着斜坡信号V_OSC而改变。在取样信号S_sample为逻辑准位的”0”时，开关166关闭(OFF)，参考信号V_hold记忆于电容168中，其电压值大致上可视为不随时间改变的一固定值。

图6为图5中的取样脉冲波产生器160的一实施例。取样信号S_sample中的脉波的出现条件之一可为：a)参考电压V_hold应该是要随着时间逐渐升高(信号up/down为”1”)；b)斜坡信号V_OSC上升中(时脉信号Clk为”1”)；以及c)斜坡信号V_OSC超过了参考电压V_hold(信号H/L由”0”转态为”1”)。而该条件由图6中的AND逻辑门186实现。另一脉波的出现条件可为：a)参考电压V_hold应该是要随着时间逐渐下降(信号up/down为”0”)；b)斜坡信号V_OSC下降中(时脉信号Clk为”0”)；以及c)斜坡信号V_OSC低过了参考电压V_hold(信号H/L由”1”转态为”0”)。而该条件由图6中的AND逻辑门188与数个反向器(inverter)实现。只要两个条件中的其中之一出现，或门(OR gate)189输出信号就会出现一上升缘(rising edge)。脉波产生器(pulse generator)182以一上升缘触发，使取样信号S_sample产生一脉波，触使取样器162开始取样。阻挡电路(blockingcircuit)184确保在取样信号S_sample的一脉波出现时，信号up/down、信号H/L、以及时脉信号Clk的逻辑准位改变，并不会使脉波产生器(pulse generator)182产生多余的另一个脉波。

图7a与图7b为图2实施例100a结合图5频率控制电路102后的一种可能的信号时序图。图7a为信号up/down为”1”的情形，显示了参考信号V_hold如何渐渐地上升。图7b为信号up/down为”0”的情形，显示参考信号V_hold如何渐渐地下降。

在图7a中，在时间点t₁时，斜坡信号V_OSC上升交越(cross)了参考电压V_hold，所以，信号H/L由”0”转态为”1”，使图2中的电容108b并联至电容108a。此时，信号H/L、信号up/down、与时脉信号Clk同时为”1”，使得图5中的取样脉冲波产生器160，在时间点t₂至时间点t₃之间产生一脉波，如图7a中的取样信号S_sample所示。该脉波使图5中的电容168并联至电容108b与108a，所以斜坡信号V_OSC的上升斜率会减小，且参考电压V_hold会跟斜坡信号V_OSC具有一样的电压值，导致信号H/L的逻辑准位不确定。当脉波在时间点t₃消失之后，电容168脱离电容108b与108a，斜坡信号V_OSC继续上升而参考电压V_hold维持不变，所以信号H/L会维持于”1”。由图7a中可推算得知，假定时间点t₃晚于时间点t₁有延迟时间dt_u，参考电压V_hold每次经历了这么一次的取样后，其电压值改变上升了dv_u，可以下列公式(1)表示：

dv_u=I_112u*dt_u/(C_108a+C_108b+C₁₆₈)..........(1)

其中，I_112u为电流源112u的电流值，C_108a、C_108b以及C₁₆₈分别表示电容108a、108b以及168的电容值。在时间点t₃之后至下一次取样前，参考电压V_hold大致维持在一个定值。如图7a所示，在时间点t₄时，斜坡信号V_OSC下降交越参考电压V_hold不会导致参考电压V_hold的改变。设计上，不一定每一次斜坡信号V_OSC上升交越参考电压V_hold时，就改变参考电压V_hold的电压值一次，也可以上升交越了数次之后，才改变参考电压V_hold的电压值一次。

图7b跟图7a类似，可以透过以上说明类推而了解。如图7b所示，斜坡信号V_OSC下降交越参考电压V_hold的时间点到取样信号S_sample的脉波结束的时间点，两个时间点之的时间差，以延迟时间dt_d表示。每次取样后，参考电压V_hold的电压值改变下降了电压值dv_d，可以下列公式(2)表示：

dv_d=I_112d*dt_d/(C_108a+C₁₆₈)..........(2)

其中，I_112d为电流源112d的电流值。

以上的一实施例中，以一取样电路以及简单的相关逻辑电路，来产生参考电压V_hold，并使参考电压V_hold可以随时间而改变，达到频率抖动的效果。此实施例可以选择性地不使用记数器，D/A转换器，以及电容矩阵等耗费芯片面积的电路，所以相对地可以是成本比较低的设计。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何在本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种频率抖动装置，其特征在于，包含有：

一震荡器，用以产生一信号，并用于比较该信号的强度与一参考信号的强度，当该信号的强度大于该参考信号的强度时，该震荡器操作于一第一频率，当该信号的强度小于该参考信号的强度时，该震荡器操作于一第二频率；以及

一频率控制电路，用以变化该参考信号的强度，以改变该信号的频率，使该信号的频率变化于该第一频率与该第二频率之间，该频率控制电路包含有一取样电路，用以取样该信号以作为该参考信号。

2.根据权利要求1所述的频率抖动装置，其特征在于，该震荡器包含有一电容以及一电流源，该电流源用以对该电容交错地充电与放电，于该电容的电容值会随着该第一频率与该第二频率之间的切换而转变。

3.根据权利要求1所述的频率抖动装置，其特征在于，该震荡器包含有一电容以及一电流源，该电流源用以对该电容交错地充电与放电，于该电流源的电流值会随着该第一频率与该第二频率之间的切换而转变。

4.根据权利要求1所述的频率抖动装置，其特征在于，该信号变化于一第一强度范围之内，该参考信号变化于一第二强度范围之内，该第二强度范围在该第一强度范围之内。

5.根据权利要求1所述的频率抖动装置，其特征在于，该频率控制电路包含有一脉波产生器，在该信号与该参考信号交错后的一预定时间，使该取样电路取样该信号。

6.根据权利要求1所述的频率抖动装置，其特征在于，该信号有一上升部份，该上升部份的部分由该震荡器操作于该第一频率所产生，该上升部份的另一部分由该震荡器操作于该第二频率所产生。

7.根据权利要求1所述的频率抖动装置，其特征在于，该震荡器还输出一时脉信号，该频率控制电路在每个时脉周期改变该参考信号。

8.一种使一信号的频率抖动的方法，其特征在于，包含有：

比较该信号的强度与一参考信号的强度；

当该信号的强度大于一参考信号的强度时，使一震荡器操作于一第一频率，以产生该信号；

当该信号的强度小于该参考信号的强度时，使该震荡器操作于一第二频率，以产生该信号；以及

改变该参考信号，以改变该信号的频率；

其中，该参考信号的强度介于该信号的一最大值与一最小值之间；

其中，该第一频率与该第二频率对应至该信号的一最大频率以及一最小频率。

9.一种电源管理装置，其特征在于，包含有：

一震荡器，用以产生一信号，具有一频率，该震荡器具有一输入端，接收一参考信号，以控制该频率；

一频率控制电路，用以产生该参考信号，其中，该参考信号由抓取一预定时间内的该信号而产生；以及

一控制器，耦接至该震荡器，用以控制一电感的电流。

10.根据权利要求9所述的电源管理装置，其特征在于，该信号交越该参考信号后的一预定时间内，该频率控制电路使该参考信号等于该信号。

11.根据权利要求9所述的电源管理装置，其特征在于，该频率控制电路包含有一脉波产生器，在该信号与该参考信号交错后的一预定时间，使一取样电路取样该信号。