CN102292902A

CN102292902A - 智能电子装置内产生低emi的开关电源

Info

Publication number: CN102292902A
Application number: CN2009801550909A
Authority: CN
Inventors: 埃林·麦克费伦; 肖恩·巴尔丁
Original assignee: Schneider Electric USA Inc
Current assignee: Schneider Electric USA Inc
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2029-12-07
Also published as: EP2377232A1; US8258768B2; CN102292902B; WO2010068579A1; US20100149842A1

Abstract

一种用于改变SMPS的定时的设备，该设备包括：微控制器，其配置为输出第一PWM信号；转换器，其耦接于微控制器，并且配置为接收第一PWM信号并将模拟信号输出至与SMPS耦接的SMPS定时电容器。模拟信号改变定时电容器的放电时间以改变SMPS的开关频率。

Description

智能电子装置内产生低EMI的开关电源

技术领域

本发明涉及对由开关电源产生的电磁干扰的降低。

背景技术

例如开关电源(“SMPS”)的电子装置在运行时发射电磁能。故该电磁能通常称为传导发射，或由于该电磁能可干扰其他电子装置的运行，而称为电磁干扰(“EMI”)。电子装置的EMI发射受到管制。例如，美国联邦通信委员会(“FCC”)颁布了其关于传导发射的第15部分(47 C.F.R.§15)的A级要求，该要求指定了适用于商业及工业应用的电子装置的EMI发射要求。FCC还颁布了其标题15的B级的要求，该要求为应用于住宅中的电子装置设定了EMI发射要求。标准化组织还公布了关于传导发射的限值的推荐标准。一个例子即由国际电工委员会(“IEC”)的国际无线电干扰特别委员会公布的标准16号和标准22号(“CISPR 16”和“CISPR 22”)，所述标准指定了传导发射限值以及测定传导发射的方法。

SMPS包括例如晶体管等一个以上开关，所述开关以受控制的频率接通和断开。晶体管的接通和断开控制着流过晶体管的能量，从而保持受控的电压或电流。一种控制晶体管的开关的技术是采用脉宽调制(“PWM”)，其中，使开关循环的周期保持恒定，而调制或改变脉冲的宽度，从而调节流过晶体管的能量。PWM SMPS装置的恒定开关周期或者稳态下的变频开关装置的开关频率可导致EMI的发射在某些频率及这些频率的谐波处达到峰值，所述某些频率诸如SMPS装置的基频。这种峰值可超出诸如FCC A级或FCC B级或者CISPR 16或CISPR 22等要求与标准。电子装置中的组件布局也可对所述电子装置对规定的遵循造成影响。例如，由于EMI的强度随距离递减，因此组件彼此之间布置得越近，就越可能彼此干扰。

为防止EMI干扰其他装置而以例如铜屏蔽来屏蔽SMPS装置的做法是昂贵的。而且，铜屏蔽比电路组件大，会占用大量的空间。因此，需要一种方法来减小诸如SMPS装置、尤其是PWM SMPS装置等电子装置的EMI发射，从而降低所述电子装置对其他电子装置的干扰，并且在某些情况下使所述电子装置符合相关要求与标准。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于改变SMPS的定时的设备，该设备包括：微控制器，其配置为输出第一PWM信号；转换器，其耦接于微控制器，并且用于接收第一PWM信号，并对与SMPS耦接的SMPS定时电容器输出模拟信号。所述模拟信号改变定时电容器的放电时间，以改变SMPS的开关频率。

根据本发明的另一方面，提供了一种改变SMPS的定时的方法，该方法包括：输出PWM信号；将PWM信号转换为模拟信号；并且通过以模拟信号改变定时电容器上的电荷，而改变SMPS定时电容器的放电时间，从而使SMPS的开关频率变化。

根据本发明的另一方面，提供了一种系统，该系统包括：微控制器，其用于输出第一PWM信号；以及转换器，其耦接于微控制器，并且用于接收第一PWM信号并输出模拟信号。所述系统还包括定时电容器，该定时电容器耦接于转换器并响应于模拟信号。所述模拟信号通过使定时电容器上的电荷变化而改变定时电容器的放电时间。所述系统还包括SMPS，该SMPS耦接于定时电容器，SMPS配置为监测定时电容器上的电荷，并且响应于定时电容器上的电荷而改变第二PWM信号的频率。

附图说明

在阅读下列详细说明并参照附图后，可明白本发明的前述及其他优点。

图1为包括用于本发明的各方面的一些元件的系统的电路图；

图2为包括本发明的一些方面的方法的流程图；

图3为根据本发明的一些方面的PWM信号及对应的模拟信号的图；

图4为根据本发明的一些方面的EMI发射轮廓的图；并且

图5为包括用于本发明的各方面的一些元件的系统的电路图。

具体实施方式

尽管连同某些方面和/或实施例来说明本发明，然而应当理解，本发明不局限于那些特定方面和/或实施例。相反，本发明旨在覆盖可包含在所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有替代、变化和等同布置。

开关电源(“SMPS”)可包括SMPS控制器以及由SMPS控制器所控制的至少一个开关。图1表示电子装置100，电子装置100包括与开关112耦接的SMPS控制器110。例如，开关112可以为双极结型晶体管或场效应晶体管。SMPS控制器110控制开关112的开关频率，即开关112接通的频率。SMPS控制器110可以为脉宽调制(“PWM”)控制器或变频控制器。PWM控制器调制开关112断开的时间以改变脉冲宽度，从而控制流过开关112的能量。例如，SMPS控制器110可以为ON SEMICONDUCTORUC3845B电流型PWM控制器或Texas Instrument(德州仪器)公司的UC2844电流型PWM控制器。

SMPS控制器110的开关频率由与SMPS控制器110的定时输入引脚耦接的定时电容器114(C_t)决定。定时电容器114的放电由电容器的大小、电荷以及耦接于定时电容器114和电压源118的定时电阻器116(R_t)的值来决定。例如，定时电容器114可以为220pF的电容器，并且定时电阻器可以为33KΩ的电阻器。SMPS控制器110可包括内部振荡器(未图示)，该内部振荡器允许定时电容器114通过定时电阻器116而充电至较高值，例如2.9V或3.1V。SMPS控制器110允许定时电容器114以设定速率(例如8.3mA)放电至较低值，例如1V或1.2V。所述充电和放电在SMPS控制器的定时输入引脚处产生可表示为斜坡的电压信号。例如，斜坡信号的频率可以为200kHz。SMPS控制器110可将该斜坡信号分频成例如约100kHz的信号，并用分频信号来设置开关频率。

继续参照图1并且还参照图2，可通过改变定时电容器114的放电时间来改变SMPS控制器110的开关频率。图2表示改变图1中的系统100的开关频率的方法200。微控制器120配置为产生代表抖动(dithering)信号的PWM信号122(图2的框210)。微控制器120可以为例如Microchip Technology(微芯科技)公司的PIC12C671。

PWM信号122为其中信号的占空比或导通时间可变的恒频信号。PWM信号122的占空比周期性地上升然后下降，例如，从占空比为12.5％上升至占空比为87.5％，然后占空比再次下降至12.5％。所述上升和下降可以是线性的或非线性的。例如，PWM信号122可包括12个脉冲序列。每个脉冲可由8个位表示，每个位可以是1或0。例如，占空比为12.5％的脉冲会包括单个1值位及其后的7个0值位。12个脉冲序列例如可表示如下：

PWM信号122可表示为数字信号。转换器124将PWM信号122从数字信号转换为模拟信号126。例如，转换器124可以是低通滤波器，并且可由低通滤波器124对PWM信号122进行滤波以产生滤波后的抖动信号(图2的框212)。低通滤波器124对数字PWM信号122进行平滑处理，并产生具有由PWM信号所决定的形状的模拟信号126。图3以时间为x轴310并以幅值为y轴而在一张图上共同表示了示例性的PWM信号314及对应的模拟信号316。或者，可用数模转换器(“DAC”)来产生模拟信号。

可选地，模拟信号126可由耦接于低通滤波器124的阻抗元件(例如电阻器)128(Z)衰减，以产生衰减的模拟信号，该衰减的模拟信号在与定时电容器114上的电荷变化相称的电压范围内变化(图2的框214)。例如，阻抗元件128可以为300KΩ的电阻器。阻抗元件128在定时电容器114和定时电阻器116之间的节点处与定时电容器114耦接。模拟信号126通过阻抗元件128来改变提供给定时电容器114的电压，该电压进而改变电容器放电至较低值所用的时间(图2的框216)。改变定时电容器114的放电时间使得SMPS控制器110的频率相应地变化(图2的框218)。模拟信号126使SMPS控制器110的开关频率在某范围或带宽内抖动或变化。可从最小开关频率f_SWmin至最大开关频率f_SWmax而改变或调制SMPS控制器110的开关频率。于是，带宽为f_SWmax-f_SWmin。模拟信号126的周期是模拟信号126使开关频率从f_SWmin经过f_SWmax再返回f_SWmin的循环所用的时间量。模拟信号126的频率是该模拟信号的周期的倒数。

如图5所示，低通滤波器124是D级放大器的一部分。D级放大器可在低通滤波器的带宽内产生任意模拟波形。这使得数字PWM信号122可方便地转换为模拟信号126。更具体地，低通滤波器124可包括在约100Hz处具有3dB点的二阶切比雪夫滤波器。为减少组件数，可使用正单放大器双二阶(Positive Single Amplifier Biquad，SAB)器件。低通滤波器124可包括运算放大器(“运放”)510，例如Texas Instruments公司的OPA335单电源轨运放(single supply rail opamp)。电阻器512、516和电容器514、518共同设定运放510的增益和截止频率。电阻器512可以为10KΩ的电阻器，电阻器516可以为10KΩ的电阻器，电容器514可以为270nF的电容器，并且电容器518可以为68nF的电容器，然而在其他实施方式中，可使用其他值来设定运放510的增益和截止频率。

可产生模拟信号126以改变SMPS控制器110的开关频率，从而满足具体的EMI要求。EMI要求通常落入两个测量类别中：平均值和准峰值。准峰值EMI要求的EMI幅值通常显著高于对应的平均值EMI要求的EMI幅值。平均值测量通常用与包括SMPS的电子装置耦接的频谱分析仪(未图示)来进行。在通常的测试设置中，例如在CISPR 16或FCC第15部分所指定的测试设置中，频谱分析仪可耦接于线路阻抗稳定网络(LISN)。频谱分析仪凭借均值滤波器而可具有9kHz的分辨带宽。频谱分析仪的平均滤波时间常数通常可约为100ms，并且可通过将视频带宽设定为10Hz而极为接近地逼近该时间常数。例如，CISPR 16指定通过采用9kHz带宽并以160ms为时间常数的频谱分析仪而获得平均值EMI测量结果。

如果模拟信号126扫描(sweep)到频谱分析仪的分辨带宽以外(即，SMPS的开关频率的带宽大于频谱分析仪的分辨带宽)，则由频谱分析仪测定的平均值EMI大约会减小：

20*Log(扫描带宽/9kHz)，

其中，扫描带宽为开关频率的带宽。

由于频谱分析仪的平均滤波时间常数约为100ms(例如，对于CISPR16为160ms)，因此频率扫描波形的周期必须远小于100ms(频率必须远大于10Hz)。这是因为频谱分析仪会认为该带宽内部的抖动与SMPS控制器110的标称频率相同。例如，在频率为87Hz的情况下，电源的开关频率带宽可以为10kHz。

图4表示将模拟信号126通过阻抗元件128而施加给与SMPS控制器110耦接的定时电容器114和定时电阻器116时对测定的EMI的影响。尖峰状轨迹414表示在不施加模拟信号126的情况下的包括SMPS控制器110和开关112的SMPS的发射谱。尖峰状轨迹414表示在一些频率值(在x轴416上表示)处的发射幅值(在y轴412上表示)。尖峰状轨迹414的峰值对应于SMPS控制器110的基本开关频率。平坦轨迹418表示将模拟信号126通过阻抗元件128而施加给与SMPS控制器110耦接的定时电容器114和定时电阻器116的结果。如图所示，平坦轨迹418表示在f_SWmin频率值420和f_SWmax频率值422之间的最大平坦发射谱。f_SWmin频率值420和f_SWmax频率值422为模拟信号126的带宽的外缘。例如对于10kHz的带宽，f_SWmin可以为-5kHz，而f_SWmax可以为+5kHz。平坦轨迹418的幅值远小于尖峰状轨迹414的幅值。于是，使用模拟信号时的发射幅值远小于未使用模拟信号时的发射幅值。

上述附图表明，可通过改变电源的开关频率来降低诸如SMPS的电源的传导发射或EMI。具体来说，微控制器120可产生PWM信号122，采用低通滤波器124对PWM信号122进行滤波以产生模拟信号126。模拟信号使定时电容器114上的电荷变化，从而改变开关频率。EMI的特性可从超过窄频率范围的要求的幅值变成在基本开关频率附近的带宽范围中的最大平坦轮廓。例如锯齿形的模拟信号的形状使得模拟信号不会从f_SWmax急剧地转换至f_SWmin。而且，模拟信号的形状调整为使在频率f_SWmax和f_SWmin处的停留时间减小。使用具有这些特性的模拟信号可生成最大平坦EMI轮廓。而且，因为使用了微处理器以产生PWM信号，故在滤波时可将PWM信号编程为具有不同形状、带宽和频率的各种不同的波形。于是，无需变换电路组件，而可通过对微控制器编程来改变易于使定时电容器上的电荷变化的模拟信号的特性。

虽然图示并描述了本发明的特定方面、实施例和应用，然而应当理解，本发明不限于此处公开的精确构造和组成，并且在不脱离由所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，显然可对在先的描述作出各种修改、变化和变形。

Claims

1.一种用于改变开关电源的定时的设备，该设备包括：

微控制器，其用于输出第一脉宽调制信号；和

转换器，其耦接于所述微控制器，并且用于接收所述第一脉宽调制信号并对与开关电源耦接的开关电源定时电容器输出模拟信号；

其中，所述模拟信号改变所述定时电容器的放电时间以改变所述开关电源的开关频率。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述转换器包括低通滤波器。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述转换器包括平均时间常数约为100ms的D级放大器。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述模拟信号包括锯齿形信号。

5.如权利要求1所述的设备，其中，所述模拟信号为周期信号，滤波后的信号的周期大于100ms。

6.如权利要求1所述的设备，其中，所述开关电源的所述开关频率的带宽大于9kHz，并且所述模拟信号的周期小于160ms。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述控制器配置为根据比特流而输出所述第一脉宽调制信号，所述比特流包括：

8.如权利要求1所述的设备，还包括与所述转换器耦接的阻抗元件，所述阻抗元件用于接收所述模拟信号并将衰减后的模拟信号输出至所述定时电容器。

9.如权利要求1所述的设备，其中，所述转换器为数模转换器。

10.一种改变开关电源的定时的方法，该方法包括：

输出脉宽调制信号；

将所述脉宽调制信号转换为模拟信号；

通过以所述模拟信号使开关电源定时电容器上的电荷变化，改变所述定时电容器的放电时间，从而使所述开关电源的开关频率变化。

11.如权利要求10所述的方法，其中，转换所述脉宽调制信号包括以低通滤波器对所述脉宽调制信号进行滤波。

12.如权利要求10所述的方法，其中，所述滤波后的信号为锯齿形信号。

13.如权利要求10所述的方法，其中，所述低通滤波器包括D级放大器，并且其中所述低通滤波器的平均时间常数约为100ms。

14.如权利要求10所述的方法，其中，所述模拟信号为周期信号，所述滤波后的信号的周期大于100ms。

15.如权利要求10所述的方法，其中，所述开关电源的所述开关频率的带宽大于9kHz，并且所述模拟信号的周期大于160ms。

16.如权利要求10所述的方法，其中，所述脉宽调制信号由微控制器产生并且由比特流表示，所述比特流包括：

17.如权利要求10所述的方法，还包括通过阻抗元件使所述模拟信号衰减。

18.如权利要求10所述的方法，其中，转换所述脉宽调制信号包括使用数模转换器。

19.一种系统，其包括：

微控制器，其用于输出第一脉宽调制信号；

转换器，其耦接于所述微控制器，并且用于接收所述第一脉宽调制信号并输出模拟信号；

定时电容器，其耦接于所述转换器并且响应于所述模拟信号，其中，所述模拟信号通过使所述定时电容器上的电荷变化而改变所述定时电容器的放电时间；以及

开关电源，其耦接于所述定时电容器，所述开关电源配置为监测所述定时电容器上的电荷，并且响应于所述定时电容器上的电荷而改变第二脉宽调制信号的频率。

20.如权利要求19所述的系统，其中，所述转换器包括时间常数约为100ms的低通滤波器；并且所述模拟信号为锯齿形信号。

21.如权利要求19所述的系统，其中，所述模拟信号为周期信号，所述模拟信号的周期小于100ms。

22.如权利要求19所述的系统，其中，开关频率调制的带宽大于9kHz，并且开关频率抖动的周期小于160ms。

23.如权利要求19所述的系统，其中，由用于生成比特流的函数产生所述第一脉宽调制信号，所述比特流包括：

24.如权利要求19所述的系统，还包括用于使所述模拟信号衰减的阻抗元件。