CN103001491A - 数字频率抖动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种了数字频率抖动电路，包括：分频计数器和数据选择器，具体连接关系如下：分频计数器的输入端口作为抖动电路的信号输入端，分频计数器输出其输入信号的2^N-K+1分频、2^N-K+2分频、2^N-K+3分频、…、2^N分频信号，N表示分频计数器的位数，K表示分频计数器输出的位数，所述分频计数器输出的K个分频信号分别连接到所述数据选择器的K位寻址信号输入端口；数据选择器的2^K个数据输入端口分别连接2^K个基准电压，数据选择器的输出端口作为抖动电路的输出端。本发明的抖动电路用于解决滞环控制模式开关电源难以实现频率抖动，造成系统EMI过大的问题，该电路实现简单，具有较高的移植性，不但适用于滞环控制模式开关电源，也适用于其它控制模式开关电源。

Description

数字频率抖动电路

技术领域

本发明属于开关电源技术领域，具体涉及一种数字频率抖动电路及该电路在开关电源中的应用。

背景技术

随着能源的日趋紧张，对能源如何进行合理的利用越来越被提上了日程。开关电源以其效率高，热耗小等优点得到了广泛的应用，为了进一步减小外围器件的成本，开关电源的频率不断地提高，使其高频开关波形中含有大量的谐波，该谐波会通过传输线和空间电磁场向外传播，从而造成了不可忽视的传导和辐射干扰问题，并且电源芯片内部电路中存在的寄生电感和电容会产生较大的dv/dt和di/dt，使开关电源的电磁干扰噪声较难消除。

为了降低电磁干扰，目前比较常采用的方法为频率抖动技术，该技术是指开关电源的工作频率并非固定不变，而是周期性地变化来减小电磁干扰（Electro-Magnetic Interference，EMI），从而分散谐波干扰能量，降低EMI。

随着对开关电源稳态和动态特性的要求日益提高，传统的电压控制模式与电流控制模式由于反馈环路的存在已无法满足更高特性的要求，而滞环控制模式以其高稳定性，快速响应，高效等特点在众多应用场合被广泛应用。滞环控制模式包含电流滞环控制模式、电压滞环控制模式、电压电流双滞环控制模式以及恒定导通时间控制模式与自适应恒定导通时间控制模式等。但由于滞环控制模式中不需要传统的振荡器电路，并且系统工作频率与应用环境息息相关，所以无法采用传统的扩频方式改变系统工作频率，难以实现工作频率的抖动，造成EMI过大，影响其它模块的正常工作。传统的扩频主要是利用系统的时钟，周期性地改变振荡器中决定频率的充放电电流或者充放电电容，从而周期性地改变系统工作频率，该方法使用的前提是系统中存在振荡器。因此现有频率抖动技术调制模式单一，结构复杂，且针对不同的系统不能做到很好的移植。

发明内容

本发明的目的是为了解决滞环控制模式中无振荡器电路，导致无法使用现有扩频方式降低EMI和现有频率抖动电路调制方式单一、移植性差的问题，提出了一种数字频率抖动电路。

本发明的技术方案是：一种数字频率抖动电路，包括：分频计数器和数据选择器，具体连接关系如下：

所述分频计数器的输入端口作为所述数字频率抖动电路的信号输入端，分频计数器输出其输入信号的2^N-K+1分频、2^N-K+2分频、2^N-K+3分频、……、2^N分频信号，其中，N表示分频计数器的位数，K表示分频计数器输出的位数，所述分频计数器输出的K个分频信号分别连接到所述数据选择器的K位寻址信号输入端口；数据选择器的2^K个数据输入端口分别连接2^K个基准电压，数据选择器的输出端口作为所述数字频率抖动电路的输出端。

基于上述数字频率抖动电路，本发明还提出了一种电流滞环控制模式的驱动开关电路，包括：数字频率抖动电路、功率管、电感、采样电阻、电流采样电路、续流二极管、PWM比较器和驱动电路，其中，采样电阻的一端连接电流采样电路的反向输入端及续流二极管的负向端口用于输入外部的电源电压，另外一端连接电流采样电路的同相输入端作为所述驱动开关电路的正向端；电感的一端作为所述驱动开关电路的负向端，电感的另一端连接续流二极管的正向端及功率管的漏极，电流采样电路的输出端连接PWM比较器的同相输入端；PWM比较器的高电压反相输入端连接数字频率抖动电路的输出端，PWM比较器的低电压反相输入端连接外部预先设定的电压，PWM比较器的输出端连接驱动电路的输入端及数字频率抖动电路的输入端；驱动电路的输出连接功率管的栅极，功率管的源极接地。

基于上述数字频率抖动电路，本发明还提出了一种恒定导通时间控制模式开关电源电路，包括：数字频率抖动电路、第一功率管、第二功率管、电感、定时器电路、RS触发器、第一电阻、第二电阻、PWM比较器和驱动电路，其中，第一功率管的漏极连接外部的电源电压，源极与第二功率管的漏极及电感的一端相连，电感的另一端接第一电阻的一端并作为所述开关电源电路的输出端，第一电阻的另一端与第二电阻的一端及PWM比较器的反相输入端相连，第二电阻的另一端接地；PWM比较器的同相输入端接外部的基准电压源，PWM比较器的输出端与RS触发器的S端和数字频率抖动电路的输入端相连，数字频率抖动电路的输出端与定时器电路的输入端相连，定时器电路的输出端与RS触发器的R端相连，RS触发器的Q端与驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出的两个反向信号分别第一功率管和第二功率管的栅极。

本发明的有益效果：本发明数字频率抖动电路可以用于解决滞环控制模式开关电源难以实现频率抖动，造成系统EMI过大的问题，并且该数字频率抖动电路实现简单，具有较高的移植性，不但适用于滞环控制模式开关电源，也适用于其它控制模式开关电源。在具有振荡器的开关电源中，可以通过调节振荡器中比较器的比较点来调节芯片系统频率；而在没有振荡器的开关电源中，可以通过使用本发明中数字频率抖动电路调节系统环路比较点来实现频率的抖动，而且本发明的抖动电路可以根据实际需要实现三角波调制、正弦波调制和锯齿波调制等多种调制方式。

附图说明

图1为本发明提出的数字频率抖动电路拓扑结构图。

图2为集成本发明的数字频率抖动电路的电流滞环控制模式的驱动开关电路拓扑结构图。

图3为集成本发明的数字频率抖动电路的恒定导通时间控制模式开关电源电路拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

本发明提出的数字频率抖动电路的拓扑结构如图1所示，包括：分频计数器Counter，数据选择器MUX。分频计数器Counter的输入端IN作为数字频率抖动电路的信号输入端，输出2^N-K+1分频、2^N-K+2分频、2^N-K+3分频、……、2^N分频信号分别连接到数据选择器MUX的K位寻址信号输入端口，其中，N表示分频计数器的位数，K表示分频计数器输出的位数；数据选择器MUX的2^K个数据输入端口分别连接V1、V2、……、V2^K基准电压，输出端口VO作为数字频率抖动电路的输出端。

为便于对数字频率抖动电路进行阐述，本发明还提出了集成上述数字频率抖动电路的电流滞环控制模式的驱动开关电路，以图2所示的驱动负载R_load为例进行具体说明，还包括：功率管M0、电感L1、采样电阻RS、电流采样电路Current Sense、续流二极管D1、PWM比较器、驱动电路Drive，具体连接关系为：采样电阻RS的一端连接电流采样电路Current Sense的反向输入端及续流二极管D1的负向端口连接外部的电源电压VIN，另外一端连接电流采样电路Current Sense的同相输入端作为所述驱动开关电路的正向端连接负载R_load的正向端；电感L1的一端作为所述驱动开关电路的负向端连接负载R_load的负向端，L1的另一端连接续流二极管D1的正向端及功率管M0的漏极，电流采样电路Current Sense的输出端连接PWM比较器的同相输入端；PWM比较器的高电压反相输入端连接数字频率抖动电路DigitalSpread Spectrum的输出端，PWM比较器的低电压反相输入端连接外部预先设定的电压V_{ref_low}，PWM比较器的输出端连接驱动电路Drive的输入端及数字频率抖动电路DigitalSpread Spectrum的输入端；驱动电路Drive的输出连接功率管M0的栅极，功率管M0的源极连接地电位GND。

数字频率抖动电路为本发明的重点所在，它的作用是在中心频率的一定范围内改变系统工作频率，降低EMI，从而保证在系统工作时不对其他模块进行噪声干扰。该模块中分频计数器的K个输出端分别为数字频率抖动电路输入信号的2^N-K+1分频、2^N-K+2分频、2^N-K+3分频、……、2^N分频信号，其中N和K根据不同的系统可以进行调整，在本实施例中电流滞环控制模式的驱动开关电路的数字频率抖动电路所选择N为11，K为3，所以数据选择器为八选一数据选择器；那么V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8分别为数据选择器输入的基准电压，根据选择不同的电压值分布可以实现不同的调制方式，在这里具体采用三角波调制，所以V1、V2、V3、V4电压值依次降低20mV，V5、V6、V7、V8电压依次递增20mV，且V4电压值等于V5电压值。可以看出，PWM比较器的高电压比较点电压取决于基准电压，在这里也可以通过设置V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8的值实现正弦波调制和锯齿波调制，对此不再详细说明。

当系统开始正常工作时，由于电感上电流不能突变，所以电感L1上电流缓慢上升，从而采样电阻RS上电流也缓慢上升，当RS上电流大于一定值时Current Sense电路输出端电压会高于数字频率抖动电路Digital Spread Spectrum输出电压，从而使PWM比较器发生翻转，PWM比较器输出从低电平翻转为高电平，经驱动电路Drive后变为低电平，关断功率管M0；功率管M0关断后，RS上电流会缓慢下降，当电流下降到一定值时，Current Sense模块输出电压低于PWM比较器的固定低端比较点时，PWM比较器输出从高电平翻转到低电平，经驱动电路Drive后变为高电平，控制功率管M0开启，从而电感电流又开始缓慢上升。在这个工作过程中PWM比较器输出高低的方波信号，该方波信号输入到数字频率抖动电路的IN端口，数字频率抖动电路中的分频计数器的三个输出端口D1、D2、D3分别输出512分频、1024分频、2048分频信号，通过八选一数据选择器编码进行地址选择，分别选择V1~V8基准电压信号进行输出。初始阶段，D1、D2、D3信号为000（1代表高电平，0代表低电平），从而选通V1电压输出，当计数512次后，D1、D2、D3信号为100，从而选通V2电压输出，再计时512次后，D1、D2、D3信号为010，八选一数据选择器输出V3电压信号，依次类推。因此，数字频率抖动电路输出端V0输出电压依次降低再升高再降低，周而复始。该输出电压信号输入到PWM比较器的高电压反相输入端，因此PWM比较器的高电压比较点每隔512个系统周期就会发生一次变化。由于VCS=A*I_L*RS，其中，I_L为电感电流，A为常系数，具体可以通过电流采样电路Current Sense设定，在此不再详细描述。而对于PWM比较器发生翻转时VCS=V_{ref_low}和VCS=V_{ref_high}，其中，V_{ref_high}是PWM比较器的高电压反相输入端的电压，在这里V_{ref_high}=VO，V_{ref_low}是PWM比较器的低电压比较点电压，是固定的，可以预先设定。因此系统电感电流最大值

最小电流

那么由电感性质得开启时间

而该系统占空比

所以系统频率 $f=\frac{D}{T_{\mathrm{ON}}}=\frac{V_{\mathrm{load}}*L*(\mathrm{VIN}-V_{\mathrm{load}})}{\mathrm{VIN}*(I_{L\max }-I_{L\min })}=\frac{V_{\mathrm{load}}*L*(\mathrm{VIN}-V_{\mathrm{load}})*\mathrm{RS}*A}{\mathrm{VIN}*(\mathrm{VO}-V_{\mathrm{reflow}})},$ 这样使系统的震荡频率每隔512个周期也会发生一次变化，实现了系统频率的抖动，从而分散谐波干扰能量，降低了系统的EMI。

本发明中所设计的数字频率抖动电路并不局限于电流滞环控制模式开关电源，也适用于其他控制模式的滞环模式开关电源及带有振荡器的非滞环控制模式开关电源。

图3给出了集成本发明的数字频率抖动电路的恒定导通时间控制模式开关电源拓扑结构图，具体包括：数字频率抖动电路Digital Spread Spectrum、第一功率管M1、第二功率管M2、电感L2、定时器电路ON Time、RS触发器、第一电阻R1、第二电阻R2、PWM比较器和驱动电路Drive，其中，第一功率管M1的漏极连接外部的电源电压VIN，源极与第二功率管M2的漏极及电感L2的一端相连，电感L2的另一端接第一电阻R1的一端并作为所述开关电源电路的输出端V_OUT，第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端及PWM比较器的反相输入端相连，第二电阻R2的另一端接地；PWM比较器的同相输入端接外部的基准电压源VREF，PWM比较器的输出端与RS触发器的S端和数字频率抖动电路的输入端相连，数字频率抖动电路的输出端与定时器电路ON Time的输入端相连，定时器电路ON Time的输出端与RS触发器的R端相连，RS触发器的Q端与驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出的两个反向信号分别第一功率管M1和第二功率管M2的栅极。

在恒定导通时间控制模式及自适应恒定导通时间控制模式中，使频率抖动电路输出端连接到恒定导通时间控制模块的计时比较器比较点，用于微调恒定开启时间T_on，T_on=C*VO，C为常系数，具体可以通过定时器电路ON Time设定，在此不再详细描述。而系统开启时间占空比

则系统频率

从而系统频率发生变化，实现频率抖动。而对于带有振荡器的开关电源，通过将频率抖动电路的输出端连接到振荡器的比较器的一个比较点来控制振荡器的频率，从而实现系统频率的抖动。

本发明中所设计的数字频率抖动电路结构简单，只需要很少的数字电路即可实现，且均使用普通的MOS管设计而成，便于不同工艺及系统的移植，并且避免了现有频率抖动电路中所需使用的大电容，大大节省了版图的面积。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种数字频率抖动电路，包括：分频计数器和数据选择器，具体连接关系如下：

所述分频计数器的输入端口作为所述数字频率抖动电路的信号输入端，分频计数器输出其输入信号的2^N-K+1分频、2^N-K+2分频、2^N-K+3分频、……、2^N分频信号，其中，N表示分频计数器的位数，K表示分频计数器输出的位数，所述分频计数器输出的K个分频信号分别连接到所述数据选择器的K位寻址信号输入端口；数据选择器的2^K个数据输入端口分别连接2^K个基准电压，数据选择器的输出端口作为所述数字频率抖动电路的输出端。

2.一种集成了权利要求1所述的数字频率抖动电路的电流滞环控制模式的驱动开关电路，还包括：功率管、电感、采样电阻、电流采样电路、续流二极管、PWM比较器和驱动电路，其中，采样电阻的一端连接电流采样电路的反向输入端及续流二极管的负向端口用于输入外部的电源电压，另外一端连接电流采样电路的同相输入端作为所述驱动开关电路的正向端；电感的一端作为所述驱动开关电路的负向端，电感的另一端连接续流二极管的正向端及功率管的漏极，电流采样电路的输出端连接PWM比较器的同相输入端；PWM比较器的高电压反相输入端连接数字频率抖动电路的输出端，PWM比较器的低电压反相输入端连接外部预先设定的电压，，PWM比较器的输出端连接驱动电路的输入端及数字频率抖动电路的输入端；驱动电路的输出连接功率管的栅极，功率管的源极接地。

3.一种集成了权利要求1所述的数字频率抖动电路的恒定导通时间控制模式开关电源电路，还包括：第一功率管、第二功率管、电感、定时器电路、RS触发器、第一电阻、第二电阻、PWM比较器和驱动电路，其中，第一功率管的漏极连接外部的电源电压，源极与第二功率管的漏极及电感的一端相连，电感的另一端接第一电阻的一端并作为所述开关电源电路的输出端，第一电阻的另一端与第二电阻的一端及PWM比较器的反相输入端相连，第二电阻的另一端接地；PWM比较器的同相输入端接外部的基准电压源，PWM比较器的输出端与RS触发器的S端和数字频率抖动电路的输入端相连，数字频率抖动电路的输出端与定时器电路的输入端相连，定时器电路的输出端与RS触发器的R端相连，RS触发器的Q端与驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出的两个反向信号分别第一功率管和第二功率管的栅极。

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