CN102064682B - 一种模拟抖频电路及应用该电路的开关电源 - Google Patents

一种模拟抖频电路及应用该电路的开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模拟抖频电路，其特征在于：由低频振荡器、低频锯齿波电流产生器和主振荡器依次电性连接组成。本发明另提供应用该抖频电路的开关电源。本发明能实现对开关频率的调制，应用于开关电源能有效降低电磁干扰，电路设计成本低，具有较好的使用价值。

Description

一种模拟抖频电路及应用该电路的开关电源
技术领域
本发明涉及一种模拟抖频电路及应用该电路的开关电源。
背景技术
广泛应用于消费类电子产品上的开关电源转换器通常包括两种形式：交流转直流（AC-DC）和直流到直流（DC-DC）。传统开关模电源转换器多工作于固定频率，常常在频域上表现出极大的电磁干扰，很难通过国际安全规范。因此，传统电源转换器以牺牲专门处理电磁干扰的器件成本和转换效率为代价。
为抑制电磁干扰，出现了采用抖频技术（即频率调制技术）使开关频率分布在多个频率上。传统抖频方法主要集中在模拟方法上，如图1所示，图1描绘了一种基于传统频率调变技术的电源转换器10。一控制电路20藕接于一回授单元15，以产生一开关信号VSW，该开关信号调节电源转换器10的输出信号VO，该回授单元15藕接于电源转换器10的输出，以产生一回授信号VFB。其中该开关信号VSW是依照回授信号VFB而变化。一变压器TR1的一开关电流IS经由捡流电阻器RS被转换成电压信号VS。该信号VS被控制电路20接受且据此产生开关信号VSW。开关信号VSW依据控制电路20内部电路进行频率调变，拓展电源转换器10的EMI频谱能量，用以降低EMI。图中，控制电路20包括一第一振荡器、一编码电路、一第二振荡器、一脉宽调制器。该第一振荡器产生一脉冲信号PLS1。该编码电路藕接至该第一振荡器，用以产生一数字信号组d1…dn。其中，n为正整数。第二振荡器藕接至该编码电路，响应该数字信号组d1…dn调变可变电容器，用以产生一频率调变的脉冲信号PLS2。该脉冲宽度调制器藕接至该第二振荡器，响应该脉冲信号PLS2、回授信号VFB及信号VS产生一频率调变的开关信号VSW，因此拓展了电源转换器10的EMI频谱能量，降低了EMI。但是从上述分析我们了解到模拟电路以远远低于开关频率的频率（约几百到上千赫兹）提供调制包络信号，导致模拟电路中的电容器常常耗费较大面积，成本较高。此外，后来出现的数字抖频技术，虽然解决了成本问题，但其性能因调制的频率个数较少且不平滑而不如模拟方法优越。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种模拟抖频电路，可应用于开关电源等，通过模拟式频率拓展或调制来降低电路中的电磁干扰。
本发明的目的是这样实现的：一种模拟抖频电路，其特征在于：由低频振荡器、低频锯齿波电流产生器和主振荡器依次电性连接组成；所述的低频振荡器包括第一比较器、充电电流源、放电电流源和电容放大器；所述第一比较器的输出端经反相器分别与控制由充电电源为电容放大器充电的第一开关管和由放电电源为电容放大器放电的第二开关管连接。
本发明另外提供一种应用上述抖频电路的开关电源，该电源能较好的抑制自身的电磁干扰。
该目的采用以下方案实现：一种应用上述抖频电路的开关电源，包括变压器和一控制电路，其特征在于：所述控制电路藕接一设于变压器输出端的回授单元，以产生一开关信号调节所述变压器的脉冲宽度，所述的控制电路由所述模拟抖频电路与脉宽调制器藕接组成。
本发明采用模拟电路实现在抑制电磁干扰功效不变前提下，大大降低电路面积，电路简单，而且可设计成集成电路，成本低，具有较好的市场价值。
附图说明
图1是基于传统调频技术的电源转换器。
图2是本发明抖频电路的电路连接示意图。
图3是图2中SW的频率时序曲线图。
图4是电容放大器的电路结构图。
图5是基于抖频电路的电源转换器的电路原理示意框图。
主要组件符号说明：
20、300：控制电路
    Q1：晶体管
    TR1：变压器
D1：二极管
P1、P2、N1、N2：开关
A1、A5：放大器
A2~A4：比较器
M1~M8：晶体管
15、104：回授单元
RS、R95、R2、R3：电阻器
C1、C2、CT、Cp：电容器
C0：可变电容器
1000：电压转换器子系统
2000：脉冲宽度调制器
    FB：回授端
PLS1、PLS2、PB、P、CLK、CLKB：脉冲信号
d1…dn：数字信号组
VCC：供电电压输入端
VCC：供电电压
VCT：周期电压三角波
SW：切换输出端
VFB：回授电压
VIN：输入电压
VH、VH1：上参考阈值电压
VL、VL1：下参考阈值电压
VO：输出电压
VS：检流电压
IS：切换电流
ICH、Icharge：充电电流
IDIS、Idischarge：放电电流
I6、I8、I：电流
Iin：输入电流
Uin：输入电压
VSW：开关信号
FSW：开关频率
fM：最大频率
fN：最小频率
fT：典型频率。
具体实施方式
下面结合附图及实施例子对本发明做进一步描述。
本发明提供一种模拟抖频电路，其特征在于：由低频振荡器、低频锯齿波电流产生器和主振荡器依次电性连接组成。具体的，参见图2，图2是本实施例子的抖频电路的电路连接示意图，图中，所述的低频振荡器包括第一比较器、充电电流源、放电电流源和电容放大器；所述的低频振荡器的输出端经第一比较器、反相器分别与控制由充电电流源为电容放大器充电的第一开关管和由放电电流源为电容放大器放电的第二开关管连接。所述的电容放大器由一电阻和第一放大器组成。所述的低频锯齿波电流产生器由第一射随器、第一电流镜和第二电流镜依次级联组成。所述的主振荡器包括第三开关管、第四开关管、放电电流源以及依次级联的第二射随器、第三电流镜和充放电电容器；所述的第三开关管和第四开关管控制该充放电电容器的充放电，所述充放电电容器的输出端连接有第二比较器和第三比较器，所述的第二比较器和第三比较器的输出信号经RS触发器和反相器输出。
本发明所述的抖频电路可集成于一集成块中，可大大减小电路的体积及成本。
为了让一般技术人员更好的理解本发明，下面我们结合电路对本发明的工作原理做进一步的描述：
请继续参见图2，抖频控制电路1000由低频振荡器、低频锯齿波电流产生器和主振荡器（OSC）组成。低频振荡器由电容放大器1001（等效为电容CT）、比较器A2、充放电电流源Icharge和Idischarge、开关P1和N1及反相器构成。工作时，在CT上产生一个周期为m毫秒的锯齿波电压信号VCT（m为预设常数），该锯齿波电压信号VCT被低频锯齿波电流产生器转换成低频锯齿波电流信号去扰动OSC实现抖频。各模块电路详细工作过程如下：
（1）低频振荡器及低频锯齿波电流工作原理
低频振荡器包含：VH和VL两个基准电压信号（VH>>VL），P1和N1两个开关管，电容放大器等效为电容CT，充放电电流源Icharge和Idischarge，P型电子管输入的比较器A2及反相器。低频锯齿波电流产生器包含：射随器（由A1、R3、M7构成）、电流镜M3和M4、电流镜M5和M6。针对一个低频锯齿波电流周期进行分析：
（I）低频振动器
①  初始时CT电容电压为0，V+=VH，由于比较器A2的“-”相位端输入信号V-=VCT=0< V+，因此，PB=“1”，P=“0”，开关N1断开，开关P1闭合，开关P3断开，电流源Icharge开始给电容CT充电，CT上电压增加；
② 在CT电容充电过程中，当V-=VCT> V+=VH时，比较器A2输出信号发生翻转，因此PB=“0”，P=“1”， 开关N1闭合，开关P1断开，开关P3闭合，电流源Idischarge给电容CT放电，CT上电压下降，同时选通信号V+=VL；
③ 当V-=VCT<V+=VL时，比较器A2输出信号再次翻转，因此，PB=“1”，P=“0”， 开关N1断开，开关P1闭合，开关P3断开，电流源Icharge开始给电容CT充电，CT上电压增加，同时选通信号V+=VH；
④ 之后工作过程重复②和③动作，结果在等效电容CT上产生周期性锯齿波电压信号VCT。
（II）低频锯齿波电流产生器
射随器（由A1、R3、M7构成）将VCT转换为锯齿波电流VCT/R3，流经电流镜M3和M4以及M5和M6（电流镜M3、M4、M5、M6的预设比例为n：1，n为常数），因此，I6=VCT/nR3。
（2） 主振荡器（OSC）工作原理
主振荡器包含：射随器（由A5、R2、M8构成），电流镜M1和M2，电容Cp，开关P2和N2，放电电流源IDIS，比较器A3和A4，锁存器和反相器。VH1和VL1为两个基准信号（VH1>>VL1），ICH和IDIS为充放电电流源，CLK和CLKB为时钟信号。电流I=I6+I8流经预设比例为n1：1的电流镜M1和M2（n1为常数），因此，ICH=I/n1= VCT/nn1R3+ VREF/n1R2。其中I6= VCT/nR3，I8=VREF/R2。现对OSC的一个时钟周期信号分析：
① 初始时Cp电容电压为“0”，比较器A4的“-”相位端输入信号为VA4-=VL1>0，“+”相位端输入信号VA4+=VCp=0，由于VA4+=VCp< VA4-=VL1，故比较器的输出信号为“0”，导致送到RS触发器R端信号R=“0”，因此，Q=“0”，导致CLKB=“0”，CLK=“1”。 那么，开关P2闭合，N2断开，ICH给Cp充电；此时，对于比较器A3来说，“-”相位端输入信号为VA3-=VCp，“+”相位端输入信号VA3+=VH1，VA3-=VCp<VA3+=VH1，比较器A3的输出信号为“1”，导致送到RS触发器S端信号S=“1”，RS触发器输出取决于R端信号。
② 在振荡器电容充电过程中，随着VCp上升，VA4+=VCp> VA4-=VL1，比较器A4的输出信号为“1”，导致送到RS触发器R端信号R=“1”，RS触发器输出取决于S端信号。当VA3-=VCp>VA3+=VH1时，比较器A3的输出信号为“0”，导致送到RS触发器S端信号S=“0”，因此，Q=“1”，导致CLKB=“1”，CLK=“0”。 那么，开关P2断开，N2闭合，IDIS给Cp放电； 
③  在振荡器电容放电过程中，随着VCp下降，VA3-=VCp<VA3+=VH1，比较器A3的输出信号为“1”，导致送到RS触发器S端信号R=“1”，RS触发器输出取决于R端信号。当VA4+=VCp< VA4-=VL1时，比较器A4输出信号翻转为“0”，因此，Q=“0”，导致CLKB=“0”，CLK=“1”。 那么，开关P2闭合，N2断开，ICH给Cp充电；
④ 之后工作过程重复②和③动作，在电容Cp上产生锯齿波电压信号VCp，同时输出时钟信号CLK和CLKB。
图3显示了抖频电路开关频率的时序曲线。图中T为内部调制信号的周期。开关频率在fM与fN之间变化，fT为中值频率。其中fM、fN相对fT变化幅度-5%~5%。
这里值得一提的是，本发明的低频振荡器采用电容放大器作为内部振荡器的电容，不仅降低了成本又兼顾了提高开关频率的调制周期。请参照图4，图4是电容放大器工作原理。电容放大器从输入端看进去，可以等效为电容CT。该等效电容数值较大，可以完全与外接电容大小相当，因此可以使用较小的面积实现即可实现较大大电容。计算方法如下，假设放大器A的开环增益为A，则从Iin端看进去的阻抗Z(S)为
                        式 1.1
Figure 57385DEST_PATH_IMAGE002
                  式 1.2
Figure 2010105510604100002DEST_PATH_IMAGE003
                  式 1.3
放大器A的开环增益较大，因此上式也可表达为
Figure 662941DEST_PATH_IMAGE004
                    式 1.4
从上式可知，等式右端为S的表达式和常数
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，因此可等效为容抗
                     式 1.5
可得等效电容CT的表达式
Figure DEST_PATH_IMAGE007
                        式 1.6
将
Figure 591549DEST_PATH_IMAGE008
 代入上式有
Figure DEST_PATH_IMAGE009
                     式 1.7
上式中
Figure 343605DEST_PATH_IMAGE010
为增益带宽积是常数。当A=1时对应的频率为f0。由上式可知，可以得到较大的等效电容。可以说，本发明采用的电容放大器作为内部振荡器的电容，即降低了成本又兼顾了提高开关频率的调制周期。由于调制周期可提高到5mS以上且调制信号为模拟锯齿波信号，因此使得EMI能量在频谱分散更加均匀、平滑，固定频率上的EMI能量更低。因此，基于本发明的电源转换器降低EMI的效果更佳，成本更低。
这里要说明的是本发明尽管以示例方式应用于电源转换器中，但本发明本身具有示例以外的更广应用范围。比如低频周期锯齿波信号VCT可以通过除示例以外的其它方法扰动OSC（例如VCT扰动OSC的放电电流或锯齿波翻转阈值电压）达到同等调制OSC频率的功效。
请参见图5，图5是基于抖频电路的电源转换器100，包括一控制电路300藕接于一回授单元104，以产生一开关信号VSW，该开关信号调节电源转换器的输出信号VO。该回授单元104藕接于电源转换器的输出VO，以产生一回授信号VFB。其中，该开关信号VSW是依照回授信号VFB而变化。一变压器TR1的一开关电流IS经由电阻RS被转换成电压信号VS。该信号VS被控制电路300接受且据此产生开关信号VSW。该控制电路300通过内部抖频控制电路1000产生频率调变信号CLK。CLK、VFB、VS藕接至脉宽调制器2000，经脉宽调制器2000产生频率调变的该开关信号VSW。
虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然而其并不应限定本发明，任何熟悉此领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许改动与替换。因此本发明的保护范围当视后附的专利范围所界定者为准。

Claims (6)

1.一种模拟抖频电路，其特征在于：由低频振荡器、低频锯齿波电流产生器和主振荡器依次电性连接组成；所述的低频振荡器包括第一比较器、充电电流源、放电电流源和电容放大器；所述第一比较器的输出端经反相器分别与控制由充电电流源为电容放大器充电的第一开关管和由放电电流源为电容放大器放电的第二开关管连接；所述的电容放大器由一电阻和第一放大器组成，所述电阻的一端与所述放大器的正输入端连接，另一端与所述放大器的负输入端连接；所述放大器的输出端与所述负输入端连接。
2.根据权利要求1所述的模拟抖频电路，其特征在于：所述的低频锯齿波电流产生器由第一射随器、第一电流镜和第二电流镜依次级联组成。
3.根据权利要求1所述的模拟抖频电路，其特征在于：所述的主振荡器包括第三开关管、第四开关管、放电电流源以及依次级联的第二射随器、第三电流镜和充放电电容器；所述的第三开关管和第四开关管控制该充放电电容器的充放电，所述充放电电容器的输出端连接有第二比较器和第三比较器，所述的第二比较器和第三比较器的输出信号经RS触发器和反相器输出。
4.根据权利要求1所述的模拟抖频电路，其特征在于：所述的模拟抖频电路集成于一集成块中。
5.一种应用权利要求1所述模拟抖频电路的开关电源，包括变压器和一控制电路，其特征在于：所述控制电路藕接一设于变压器输出端的回授单元，以产生一开关信号调节所述变压器的脉冲宽度，所述的控制电路由所述模拟抖频电路与脉宽调制器藕接组成。
6.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于：所述的控制电路是一由所述模拟抖频电路与脉宽调制器藕接组成的集成电路。
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