CN102361396A - 异形伪随机序列控制抖频振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异形伪随机序列控制抖频振荡器，该振荡器的可变电流源网络和电流源相并联后与振荡器相连，振荡器与分频电路相连，分频电路依次与随机时钟发生器、自启动伪随机序列发生器相连，自启动伪随机序列发生器再与可变电流源网络相连构成一个闭合回路。本发明用于使电源管理芯片中的振荡器在频率变化间隔时间变化的基础上实现频率变化按伪随机方式抖动，模拟伪随机噪声，避免了传统抖频振荡器在调制抖频过程中引入新的频率分量，从而大大降低电磁辐射，从而降低电磁辐射，满足开关电源环测需求。该异形伪随机序列控制抖频振荡电路适用于所有的PS系列AC-DC(交流到直流)的隔离或非隔离的开关电源控制器。

Description

异形伪随机序列控制抖频振荡器

技术领域

本发明涉及开关电源电磁干扰技术，特别是一种异形伪随机序列控制抖频振荡器。

背景技术

电磁干扰是开关电源设计需要关注的一个问题。对于常用的PWM控制方式的变换器而言，辐射的峰值一般出现在变换器的基础开关频率处，各个高次谐波上的辐射强度逐渐降低，大部分辐射能量只限于基波和较低次的谐波。为了减少电磁干扰，首先考虑的是抑制噪声源的能量，其方法之一在于改变开关频率，也即对开关频率进行调制，扩展开关频率处得频谱，从而降低辐射能量。根据随机信号理论，当频率抖动技术被使用时，其调制方法中所存在的周期性的规律，必然会反映至系统中的某些电气量中，使这些电气量的频谱受到该周期性规律的影响，包含了相应的离散谱。随机调制技术的应用，则使系统某些电气量的频谱受到随机调制规律的影响。由于随机算法是均匀分布规律，则在频率的变化范围内，任何一个新频率的发生概率都是相等的，且生成的每个频率之间几乎没有相关性，因此这种调制方式所对应的离散谱成份会被明显削弱，这就是本发明相对于其他伪随机抖频振荡器的区别之处。。

发明内容

本发明的目的是提供一种新颖的异形伪随机序列控制抖频振荡器，通过随机变化振荡器频率及其变化时间间隔，使频率产生抖动，扩展频谱，从而最大有效的降低开关电源中电磁干扰。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种异形伪随机序列控制抖频振荡器，用于使电源管理芯片中的振荡器在频率变化的间隔时间变化的基础上，实现频率变化按伪随机方式抖动，包括：

振荡器，用以输出受调制的脉冲序列；

可变电流源网络，用以为振荡器提供可变电流，按发明要求改变ΔI₁，使I₀与ΔI₁的和按发明要求变化，从而改变电容C的充放电电流大小，实现如发明要求的频率变化；

自启动伪随机序列发生器，用以产生伪随机序列控制可变电流源网络的电流值，控制电容充放电电流值，实现振荡器频率伪随机变化，频率变化的时间间隔也按伪随机方式变化；

随机时钟发生器，用以产生伪随机时钟作为自启动伪随机序列发生器的触发时钟，实现频率变化的时间间隔也按伪随机方式变化；

分频器，用以为随机时钟发生器提供时钟信号；

所述可变电流源网络与振荡器相连，振荡器与分频电路相连，分频电路依次与随机时钟发生器、自启动伪随机序列发生器相连，自启动伪随机序列发生器再与可变电流源网络相连构成一个闭合回路。

本发明进一步的特征在于：

所述振荡器包括与电流源相并联的MOS管M1～M5，以及在MOS管M3与MOS管M5间串接的开关Ka和开关Kb；振荡器还包括并联连接在MOS管M5、开关Ka和开关Kb节点上的电容C、开关Ka和开关Kb节点上的两个比较器、两个与非门以及两个反相器。引入了开关Ka，Kb，反相器使电容C在充放电间切换。

所述MOS管M1～M5中，MOS管M1、M2、M3管为PMOS管，MOS管M4、M5管为NMOS管；所述MOS管M1、M2、M3的源端接VDD，MOS管M2、M3的栅极、MOS管M1的栅端及其漏端接电流源和可变电流源网络；电流源和可变电流源网络另一端接地；MOS管M2的漏端、MOS管M5的栅端接MOS管M4的栅端和漏端；MOS管M3的漏端接开关Kb，MOS管M5的漏端接开关Ka；MOS管M4、M5的源端接地；第二反相器输出接开关Ka，控制Ka开关状态；第二反相器输出接第一反相器输入；第一反相器输出接开关Kb，控制Kb开关状态。引入了M1～M5，为振荡器提供充放比固定的电流。

所述电容C并联连接在MOS管M5接地端与开关Ka和开关Kb节点之间。

所述两个比较器相并联后再串联在开关Ka和开关Kb节点上；所述与两个与非门分别与两个比较器串联，再并联后其输出端与第二反相器相连。引入了比较器、与非门，反相器的作用使电容C的锯齿波经过处理后变成方波。

所述随机时钟发生器由三个相互串联连接的移位寄存器和三个分别与各个移位寄存器相连接的反馈电路组成。

所述自启动伪随机序列发生器由四个相互串联连接的移位寄存器和分别与各个移位寄存器相连接的反馈电路组成。

所述可变电流源网络包括四个分别与电流源相并联连接的开关K₀～K₃开关，电流源幅值分别为2⁰×I₁，2¹×I₁，2²×I₁，2³×I₁。

本发明在传统振荡器中加入了可变电流源网络、电流源(产生电流I₀)、分频器、随机时钟发生器、自启动伪随机序列发生器。电流源I₀是振荡频率的基础电流源，且(2⁰×I₁+2¹×I₁+2²×I₁+2³×I₁)的和远小于电流源I₀，一般为电流源I₀的4％～7％。电流源I₀和可变电流源网络共同影响振荡器的充放电电流，通过改变可变电流源网络的开关(K₀，K₁，K₂，K₃)的断开与闭合，从而改变振荡器电容C的充放电电流，使振荡器频率在一定范围内变化。而可变电流源网络开关的断开与闭合的状态及变化时间，受自启动序列发生器、随机时钟发生器与分频器的控制，此点也是本发明相对于传统抖频振荡器不同，传统抖频振荡器的频率变化有的是周期性，也有随机的，但他们的频率变化的时间间隔都是固定的，这无异于在频谱中引入一固定的频率分量，从而加大电磁辐射。发明中的自启动伪随机序列发生器的状态变化受随机时钟发生器触发，这样以来自启动伪随机序列发生器状态改变的时间也是随机变化的，即频率变化的大小是随机的，同时频率产生变化的时刻也是随机的，这样的结果就使这种变化尽量接近伪随机噪声，从而降低电磁辐射。

本发明异形伪随机序列控制抖频振荡器具有下述特点：

本发明用于使电源管理芯片中的振荡器在频率变化间隔时间变化的基础上实现频率变化按伪随机方式抖动，模拟伪随机噪声，避免了传统抖频振荡器在调制抖频过程中引入新的频率分量，从而大大降低电磁辐射，从而降低电磁辐射，满足开关电源环测需求。

与传统固定频率的振荡器或传统抖频电路相比，EMI影响得到有效地抑制。该异形伪随机序列控制抖频振荡电路适用于所有的PS系列AC-DC(交流到直流)的隔离或非隔离的开关电源控制器。

附图说明

图1是设计的频率抖动受伪随机序列控制的振荡器电路图。

图2是随机时钟发生器电路图。

图3是自启动伪随机序列发生器电路图。

图4是可变电流源网络。

图5是伪随机序列控制引起的振荡器频率变化曲线。

图6是传统振荡器的频谱图。

图7是采用图1设计的振荡器频谱图。

图中：101、第一反相器；102、第一比较器；103、第一与非门；104、第二反相器；105、第二与非门；106、第二比较器；107、分频器；108、随机时钟发生器；109、自启动伪随机序列发生器；110、可变电流源网络；111、电流源；112、振荡器；201、202、203移位寄存器；204、205、206、反馈电路或非门；301、302、303、304、移位寄存器；305、306、307、反馈电路或非门。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

参阅图1，是本发明的主电路的具体实施电路。本发明异形伪随机序列控制抖频振荡器引人了MOS管M1～M5，电容C，电流源111，开关Ka，Kb，第一反相器101和第二反相器104，第一比较器102和第二比较器106，第一与非门103和第二与非门105，分频电路107，随机时钟发生器108，自启动伪随机序列发生器109以及可变电流源网络110。其中，振荡器112，用以输出受调制的脉冲序列；可变电流源网络110，用以为振荡器提供可变电流，从而改变振荡器电容C的充放电电流大小；自启动伪随机序列发生器109，用以产生伪随机序列控制可变电流源网络110的电流值；随机时钟发生器108，用以产生伪随机时钟作为自启动伪随机序列发生器109的触发时钟；分频器107，用以为随机时钟发生器108提供时钟信号；可变电流源网络110和电流源111相并联后与振荡器112相连，其中，电流源111产生电流I₀，可变电流源网络110产生一个电流ΔI₁，振荡器112与分频电路107相连，分频电路107依次与随机时钟发生器108、自启动伪随机序列发生器109相连，自启动伪随机序列发生器109再与可变电流源网络110相连构成一个闭合回路。

振荡器112包括与电流源111相并联的MOS管M1～M5，以及在MOS管M3与MOS管M5间串接的开关Ka和开关Kb；振荡器112还包括并联连接在MOS管M5、开关Ka和开关Kb节点上的电容C、开关Ka和开关Kb节点上的第一比较器102和第二比较器106、第一与非门103和第二与非门105以及第一反相器101和第二反相器104。

其中，MOS管M1～M5中，MOS管M1、M2、M3管为PMOS管，MOS管M4、M5管为NMOS管；所述MOS管M1、M2、M3的源端接VDD，MOS管M2、M3的栅极、MOS管M1的栅端及其漏端接电流源111和可变电流源网络110；电流源111和可变电流源网络110另一端接地；MOS管M2的漏端，MOS管M5的栅端接MOS管M4的栅端和漏端；MOS管M3的漏端接开关Kb，MOS管M5的漏端接开关Ka；MOS管M4、M5的源端接地；第二反相器104输出接开关Ka，控制Ka开关状态；反相器104输出接第一反相器101输入；第一反相器101输出接开关Kb，控制Kb开关状态。电容C并联连接在MOS管M5接地端与开关Ka和开关Kb的节点之间。

第一比较器102和第二比较器106相并联后再串联在开关Ka和开关Kb节点上；所述与第一非门103和第二与非门105分别与第一比较器102和第二比较器106串联，再并联后，其输出端与第二反相器104相连。

电容C的电压在电流影响下升高或降低，形成锯齿波。锯齿波电压在通过两个比较器第一比较器102、第二比较器106和由两个与非门第一与非门103、第二与非门105组成的触发器处理后变成方波信号。方波信号控制Ka，Kb开关的交替的断开与闭合，改变振荡器电容的充放电状态。同时方波信号经过分频器107后将分频后的方波信号送入随机时钟发生器108，经随机发生器108处理后的随机时钟信号作为自启动伪随机序列发生器109的触发信号，触发伪随机序列发生器109，产生变换趋势和变换时间间隔都随机变化的伪随机序列。

参阅图2，是本发明的是随机时钟发生器具体实施电路，随机时钟发生器108由三个相互串联连接的移位寄存器和三个分别与各个移位寄存器相连接的反馈电路组成。移位寄存器F0 201的输出Q0接移位寄存器F1 202的输入D1，移位寄存器F1 202的输出Q1接移位寄存器F2 203的输入D2，移位寄存器F2 203的输出Q2和移位寄存器F1 202的输出Q1经过反馈电路或非门204异或后与三个移位寄存器201、202、203的输出Q0，Q1，Q2在经过反馈电路或非门205的或非通过反馈电路或非门206或门做或运算。结果送入移位寄存器F0 201的输入D0。移位寄存器的时钟clk由振荡器方波的16分频提供。图中移位寄存器F0 201的输出Q0即CLKQ，作为自启动伪随机序列发生器的时钟信号。

参阅图3是自启动伪随机序列发生器的具体实施电路，自启动伪随机序列发生器109由四个相互串联连接的移位寄存器和分别与各个移位寄存器相连接的反馈电路组成。

移位寄存器F0 301的输出Q0接移位寄存器F1 302的输入D1，移位寄存器F1 302的输出Q1接移位寄存器F2 303的输入D2，移位寄存器F2 303的输出Q2接移位寄存器F3 304的输入D3，移位寄存器F3 304的输出Q3和移位寄存器F2 303的输出Q2通过反馈电路或非门305异或后与四个移位寄存器的输出通过反馈电路或非门306的或非结果通过反馈电路或非门或门307做或运算。结果送入移位寄存器F0 301的输入D0。移位寄存器的时钟clk由随机时钟发生器108的输出CLKQ提供。图中移位寄存器F0 301，移位寄存器F1 302，移位寄存器F2 303，移位寄存器F3 304的Q0，Q1，Q2，Q3作为控制电流源网络110开关K0，K1，K2，K3的控制电平。

参阅图4，是本发明中可变电流源网络的具体实施图。可变电流源网络110包括四个分别与电流源111相并联连接的开关K₀～K₃开关，电流源111幅值分别为2⁰×I₁，2¹×I₁，2²×I₁，2³×I₁。K₀～K₃是开关网络，其中，2⁰×I₁+2¹×I₁+2²×I₁+2³×I₁的和远小于电流源I₀；开关下方是对应的电流源111，电流源111的幅值按BCD码加权。开关的断开，闭合，受伪随机序列发生器109控制。当开关闭合时相应的电流源电流进入充放电回路，改变充放电电流大小。

下面通过设计参数的计算公式来进一步说明本发明。

1.频率抖动范围的确定

左侧电流源网络开关全部断开时，充电电流，放电电流最小(充电电流只有I₀)，振荡器的频率最小，设为f₀。

图1中左侧电流源网络开关全部闭合时，充电电流，放电电流最大(充电电流为I₀与左侧电流源网络全部电流的和)，振荡器的频率也最大，设为f₁。设计最大振荡器频率与最小振荡器频率的差为最小振荡器频率的4％，确定频率抖动范围。即

$\frac{f_1-f_0}{f_0}=4\%$

2.振荡器频率最小点时充电电流的计算(即I₀的计算)

设充电电流为I_charge0，放电电流为I_discharge0(设振荡器充电放电电流比为1∶19，可以通过设定电流镜的宽长比实现，即I_disharge0＝19I_charge0)。电容C的充电时间为

$t_{\mathrm{ch}\arg e0}=\frac{\mathrm{\ΔV\; C}}{I_{\mathrm{ch}\arg e0}}$

放电时间为

$t_{\mathrm{disch}\arg e0}=\frac{\mathrm{\ΔV\; C}}{I_{\mathrm{disch}\arg e0}}$

则振荡器频率为

$f_0=\frac{1}{T_0}=\frac{1}{t_{\mathrm{ch}\arg e0}+t_{\mathrm{disch}\arg e0}}=\frac{\mathrm{\ΔV\; C}}{I_{\mathrm{ch}\arg e0}}+\frac{\mathrm{\ΔV\; C}}{I_{\mathrm{disch}\arg e0}}$

由以上公式，在给定ΔV，C，f₀后，可以算出充电电流I_charge0，放电电流值I_discharge0。

3.发生频率抖动时电流源网络最小电流的计算(即I₁的计算)

设充电电流为I_charge1，放电电流为I_discharge1(设振荡器充电放电电流比为1∶19，可以通过设定电流镜的宽长比实现，即I_disharge1＝19I_charge1)。电容C的充电时间为

$t_{\mathrm{ch}\arg e1}=\frac{\mathrm{\ΔV\; C}}{I_{\mathrm{ch}\arg e1}}$

放电时间为

$t_{\mathrm{disch}\arg e1}=\frac{\mathrm{\ΔV\; C}}{I_{\mathrm{disch}\arg e1}}$

则振荡器频率为

$f_1=\frac{1}{T_1}=\frac{1}{t_{\mathrm{ch}\arg e1}+t_{\mathrm{disch}\arg e1}}=\frac{\mathrm{\ΔV\; C}}{I_{\mathrm{ch}\arg e1}}+\frac{\mathrm{\ΔV\; C}}{I_{\mathrm{disch}\arg e1}}$

在给定ΔV，C，f₁后，可以算出充电电流I_charge1，放电电流值I_discharge1。

两次的充电电流的差值就是引起频率变化的因素。把这两个充电电流的差值作为电流源网络的和。根据电流源网络的加权值可以算出最小电流源的电流值(n＝4时，电流源网络加权值分别为1，2，4，8。即电流源网络电流和为15*I₁，可计算出最小电流值I₁＝1/15*ΔI_charge)。

ΔI_charg e＝I_charg e1-I_charg e0

$I_1=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ch}\arg e}}{15}$

通过图5与图6对比能够进一步验证本发明的有益效果。

采用图1设计出振荡器的频率变化曲线如图4所示，从图中可以看出频率的变化是没有规律的，每次变化时间间隔也是随机的。

这种经过异形伪随机序列控制频率抖动处理后的振荡器，在集成在开关电源芯片中后，可以有效分散，降低开关频率处和倍频处的能量幅值，改善EMI性能。采用图1设计出来的振荡器的频谱能量如图6所示，与传统的无抖频振荡器的频谱(图5)相比，频带被扩宽，在开关频率处频谱能量大大降低。

可以看到采用图1设计的振荡器，频带宽度得到扩展，振荡器的功率密度谱的能量在基频和整数倍频处都得到削弱。

Claims (8)

1.一种异形伪随机序列控制抖频振荡器，其特征在于，用于使电源管理芯片中的振荡器在频率变化的间隔时间变化的基础上，实现频率变化按伪随机方式抖动，包括：

振荡器(112)，用以输出受调制的脉冲序列；

可变电流源网络(110)，用以为振荡器提供可变电流，从而改变振荡器电容C的充放电电流大小；

自启动伪随机序列发生器(109)，用以产生伪随机序列控制可变电流源网络(110)的电流值；

随机时钟发生器(108)，用以产生伪随机时钟作为自启动伪随机序列发生器(109)的触发时钟；

分频器(107)，用以为随机时钟发生器(108)提供时钟信号；

所述可变电流源网络(110)与振荡器(112)相连，振荡器(112)与分频电路(107)相连，分频电路依次与随机时钟发生器(108)、自启动伪随机序列发生器(109)相连，自启动伪随机序列发生器(109)再与可变电流源网络(110)相连构成一个闭合回路。

2.根据权利要求1所述的异形伪随机序列控制抖频振荡器，其特征在于，所述振荡器(112)包括电流源(111)、及与电流源(111)相并联的MOS管M1～M5，以及在MOS管M3与MOS管M5间串接的开关Ka和开关Kb；振荡器(112)还包括并联连接在MOS管M5、开关Ka和开关Kb节点上的电容C、开关Ka和开关Kb节点上的第一比较器(102)和第二比较器(106)、第一与非门(103)和第二与非门(105)以及第一反相器(101)和第二反相器(104)。

3.根据权利要求2所述的异形伪随机序列控制抖频振荡器，其特征在于，所述MOS管M1～M5中，MOS管M1、M2、M3管为PMOS管，MOS管M4、M5管为NMOS管；所述MOS管M1、M2、M3的源端接VDD，MOS管M2、M3的栅极、MOS管M1的栅端及其漏端接电流源(111)和可变电流源网络(110)；电流源(111)和可变电流源网络(110)另一端接地；所述MOS管M2的漏端、MOS管M5的栅端接MOS管M4的栅端和漏端；所述MOS管M3的漏端接开关Kb，MOS管M5的漏端接开关Ka；MOS管M4、M5的源端接地；所述第二反相器(104)输出接开关Ka，控制Ka开关状态；所述第二反相器(104)输出接第一反相器(101)输入；第一反相器(101)输出接开关Kb，控制Kb开关状态。

4.根据权利要求1或2所述的异形伪随机序列控制抖频振荡器，其特征在于，所述电容C并联连接在MOS管M5接地端与开关Ka和开关Kb节点之间。

5.根据权利要求2所述的异形伪随机序列控制抖频振荡器，其特征在于，所述第一比较器(102)和第二比较器(106)相并联后再串联在开关Ka和开关Kb节点上；所述第一与非门(103)和第二与非门(105)分别与第一比较器(102)和第二比较器(106)串联，再并联后其输出端与第二反相器(104)相连。

6.根据权利要求1所述的异形伪随机序列控制抖频振荡器，其特征在于，所述随机时钟发生器(108)由三个相互串联连接的移位寄存器和三个分别与各个移位寄存器相连接的反馈电路组成。

7.根据权利要求1所述的异形伪随机序列控制抖频振荡器，其特征在于，所述自启动伪随机序列发生器(109)由四个相互串联连接的移位寄存器和分别与各个移位寄存器相连接的反馈电路组成。

8.根据权利要求1所述的异形伪随机序列控制抖频振荡器，其特征在于，所述可变电流源网络(110)包括四个分别与电流源(111)相并联连接的开关K₀～K₃开关，电流源(111)幅值分别为2⁰×I₁，2¹×I₁，2²×I₁，2³×I₁。

Images