CN103138560A - 频率抖动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种频率抖动系统，包括：振荡器，用于产生振荡频率输出信号和反馈信号；窄脉冲产生电路，与振荡器的输出端连接，用于根据反馈信号产生窄脉冲信号；不相交叠时钟产生电路，与振荡器的输出端连接，用于根据反馈信号产生不相交叠的第一时钟信号和第二时钟信号；逻辑控制电路，与窄脉冲产生电路的输出端连接，用于根据窄脉冲信号生成多个开关信号；和开关电容电路，分别与振荡器、不相交叠时钟电路、窄脉冲产生电路和逻辑控制电路连接，用于根据窄脉冲信号、第一时钟信号、第二时钟信号和多个开关信号控制振荡频率输出信号的频率发生抖动。本发明的系统有效降低由于开关频率高次谐波所造成的电磁干扰，并且降低了外围应用的成本。

Description

频率抖动系统

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种频率抖动系统。

背景技术

使用开关电源可有效地提高工作效率，并且通过提高开关电源芯片的工作频率可减少外围器件的尺寸。但是，开关电源存在的问题是，使用芯片实现稳压的电路系统中往往存在很大的电流或电压变化，因此容易产生工作频率的高次谐波从而造成电磁干扰(EMI，Electro Magnetic Interference)，其中高次谐波主要产生于开关、变压器、变压器次级二极管开通或断开的瞬间。如果这些EMI处理不当，将对电网或附近的电子产品产生严重的影响。

为了有效抑制EMI，一种方法是在外围电路中增加滤波元件的方法，例如增加共模电感、X电容和Y电容。如图1所示为现有技术的固定频率PWM控制的开关电源的原理图，在开关电源系统中，EMI滤波器通常安装在整流桥前。这种方法存在的问题是，这些滤波元件容易受到体积和成本的制约。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。

为达到上述目的，本发明提出一种频率抖动系统，包括：振荡器，用于产生振荡频率输出信号和反馈信号；窄脉冲产生电路，所述窄脉冲产生电路与所述振荡器的输出端连接，用于根据所述反馈信号产生窄脉冲信号；不相交叠时钟产生电路，所述不相交叠时钟产生电路与所述振荡器的输出端连接，用于根据所述反馈信号产生不相交叠的第一时钟信号和第二时钟信号；逻辑控制电路，所述逻辑控制电路与所述窄脉冲产生电路的输出端连接，用于根据所述窄脉冲信号生成多个开关信号；和开关电容电路，所述开关电容电路分别与所述振荡器、所述不相交叠时钟电路、所述窄脉冲产生电路和所述逻辑控制电路连接，用于根据所述窄脉冲信号、第一时钟信号、第二时钟信号和多个开关信号控制所述振荡频率输出信号的频率在预定的范围内发生周期性的变化。

根据本发明实施例的频率抖动系统，通过使用开关电容电路周期性地向振荡器加入不同的电荷量而改变振荡器输出的振荡频率输出信号上升时间的快慢从而使得开关电源芯片的工作频率发生抖动，从而有效降低开关频率高次谐波所造成的电磁干扰，而且可降低外围应用的成本，提高产品的市场竞争力。此外，本发明实施例的频率抖动系统的内部电路可使用基本的电路元件制作，实现方便，成本较低。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术的固定频率PWM控制的开关电源的原理图；

图2为本发明实施例的频率抖动系统的结构示意图；

图3为不相交叠的两个时钟信号的示意图；

图4为本发明一个实施例的振荡器的电路示意图；

图5为本发明另一个实施例的振荡器的电路示意图；

图6为本发明一个实施例的窄脉冲产生电路的电路示意图；

图7为本发明一个实施例的不相交叠时钟产生电路的示意图；

图8为本发明一个实施例的逻辑控制电路的示意图；

图9为本发明一个实施例的开关电容电路的示意图；

图10为本发明一个实施例的频率抖动系统中的关键信号的波形图；以及

图11为本发明一个实施例的振荡器频率抖动变化的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

其中，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

图2为本发明实施例的频率抖动系统的结构示意图。如图2所示，根据本发明实施例的频率抖动系统，包括振荡器100、窄脉冲产生电路200、不相交叠时钟产生电路300、逻辑控制电路400和开关电容电路500。

振荡器100用于产生振荡频率输出信号和反馈信号。窄脉冲产生电路200与振荡器100的输出端连接，用于根据反馈信号产生窄脉冲信号，即占空比很小的方波脉冲信号。不相交叠时钟产生电路300与振荡器100的输出端连接，用于根据反馈信号产生不相交叠的第一时钟信号和第二时钟信号，其中不相交叠指的是两个相反时钟信号在上升沿和下降沿不存在交叠的部分，如图3所示。逻辑控制电路400与窄脉冲产生电路200的输出端连接，用于根据窄脉冲信号生成多个开关信号。开关电容电路500分别与振荡器100、不相交叠时钟电路200、窄脉冲产生电路300和逻辑控制电路400连接，用于根据窄脉冲信号、第一时钟信号、第二时钟信号和多个开关信号控制振荡频率输出信号的频率在预定的范围内发生周期性的变化，即发生频率抖动。

图4为本发明一个实施例的振荡器的电路示意图。如图4所示，在本发明的一个实施例中，振荡器100包括第一电容C0、第一恒流源Iref1、第二恒流源Iref2、第一比较器VA1、第二比较器VA2和RS触发器。其中，频率抖动控制电路110包括不相交叠时钟产生电路300、逻辑控制电路400和开关电容电路500，第一电容C0与开关电容电路500相连，输出振荡频率输出信号SW。第一恒流源Iref1与第一电容C0相连。第二恒流源Iref2通过开关K与第一电容C0相连。第一比较器VA1的同相输入端与第一阈值电压VL相连，第一比较器VA1的反相输入端与第一恒流源Iref1相连。第二比较器VA2的同相输入端与开关K相连，第二比较器VA2的反相输入端与第二阈值电压VH相连。RS触发器的R端与第一比较器VA1的输出端相连，RS触发器的S端与第二比较器VA2的输出端相连，RS触发器的输出端分别与窄脉冲产生电路200和开关K相连，从而将振荡器100产生的反馈信号Feedback反馈至开关K以控制开关K的导通和关断。

具体地，振荡器100的工作过程如下，当开关电源的芯片启动后，芯片内部的使能信号使得信号Feedback置为低电平，开关K截止，然后第一恒流源Iref1开始对第一电容C0充电，第一电容C0上的电压线性上升，当第一电容C0电压值超过第二阈值电压VH时，第二比较器VA2输出由高电平翻转为低电平，通过RS触发器使信号Feedback置为高电平，开关K导通，第一电容C0开始以恒流值为(Iref2-Iref1)的电流放电，当第一电容C0电压值低于第一阈值VL时，第一比较器VA1的输出由高电平翻转变为低电平，信号Feedback重新变成低电平，开关K再次截止，由此开始下个周期的变化，振荡器100如此重复工作产生振荡频率输出信号SW(该振荡频率输出信号SW可作为开关电源的芯片所需的时钟信号)和反馈信号Feedback。由此可见，通过改变振荡器100的上升时间即可实现频率抖动。

图5为本发明另一个实施例的振荡器的示意图。如图5所示，该振荡器包括100包括第二电容C5、第三恒流源I1、MOS管M1和第三比较器VA3。MOS管M1的漏极与第三恒流源I1相连，第二电容C5分别与MOS管的漏极和开关电容电路相连，输出振荡频率输出信号SW，第三比较器VA3的同相输入端与第二电容C5相连，反相输入端与第三阈值电压V3相连，输出端与MOS管M1的栅极和窄脉冲产生电路200相连，输出反馈信号Feedback至窄脉冲产生电路200。

具体地，振荡器100的工作过程如下：当开关电源的芯片上电时，第二电容C5上的电压为零，由于第三阈值电压V1＞0，因此第三比较器VA3输出为低电平，通过第三恒流源I1对第二电容C5充电，当第二电容C5的电压充至超过第三阈值电压V3时，第三比较器VA3的输出翻转为高电平，此时MOS管M1导通，在很短时间内将第二电容C5的电压重置为零。如此重复，输出振荡频率输出信号SW和反馈信号Feedback。

为了清楚起见，下面结合图4所示的振荡器的实施例进行介绍。图6为本发明一个实施例的窄脉冲产生电路的示意图。如图6所示，在本发明的一个实施例中，窄脉冲产生电路200包括第一非门NOT1、延时电路210、第二非门NOT2和第一与门AND1。其中，第一非门NOT1的输入端接收振荡器100输出的反馈信号Feedback。延时电路210的一端与第一非门NOT1的输出端相连，另一端与第二非门NOT2的输入端相连。第二非门NOT2的输入端与延时电路210相连，另一端与与门AND1相连。第一与门AND1的第一输入端与第一非门NOT1的输出端相连，第二输入端与第二非门NOT2的输出端相连，第一与门AND1的输出端与逻辑控制电路400相连。

具体地，窄脉冲产生电路200的输入信号CLK_in来源于振荡器100的反馈信号Feedback，经过窄脉冲产生电路200处理之后产生一个窄脉冲信号CLK。该窄脉冲信号CLK用于控制开关电容电路500对振荡器100内部的第一电容C0瞬间充电。窄脉冲信号CLK的宽度可通过改变延时电路210的延时时间进行调整。

其中，延时电路210还可采用其他方法实现，例如一个RC网络或一个基本门的链。

图7为本发明一个实施例的不相交叠时钟产生电路的示意图。如图7所示，在本发明的一个实施例中，不相交叠时钟电路300包括输出第一时钟信号Φ1的第一支路F1和输出第二时钟信号Φ2的第二支路F2，其中第一支路F1由第一与非门NAND1、第一反相器InV1、第二反相器InV2和第三反相器InV3顺次串联而组成，第二支路F2由第四反相器InV4、第二与非门NAND2、第五反相器InV5、第六反相器InV6和第七反相器InV7顺次串联而组成，且第一与非门NAND1的第一输入端接收振荡器100输出的反馈信号Feedback，第一与非门NAND1的第二输入端与第六反相器InV6的输出端相连，第四反相器InV4的输入端接收振荡器100输出的反馈信号Feedback，第二与非门NAND2的第一输入端与第四反相器InV4的输出端相连，第二与非门NAND2的第二输入端与第二反相器InV2的输出端相连。

具体地，不相交叠时钟电路300利用振荡器100的反馈信号Feedback产生两个不相交叠的第一时钟信号Φ1和第二时钟信号Φ2，两个时钟信号之间的死区的大小由与非门和与非门输出端所连接的反相器的延时决定。当反馈信号Feedback为高电平时，第一支路F1输出的第一时钟信号Φ1为高电平，第二支路F2输出的第二时钟信号Φ2为低电平；反之，当反馈信号Feedback为低电平时，第一支路F1输出的第一时钟信号Φ1为低电平，第二支路F2输出的第二时钟信号Φ2为高电平。而且，第一时钟信号和第二时钟信号的上升沿和下降沿不相交叠，如图3所示。

在本发明的一个实施例中，逻辑控制电路400包括分频器410和逻辑变换电路420。其中，分频器410用于根据窄脉冲信号生成多个不同频率的时钟信号。逻辑变换电路420与分频器410的输出端相连，用于根据多个不同频率的时钟信号生成多个开关信号，其中开关信号的个数与时钟信号的个数可以相同，也可以不同。

具体地，图8为本发明一个实施例的逻辑控制电路的示意图。如图8所示，窄脉冲信号CLK经过由N个触发器构成的分频器410获得5个不同频率的时钟信号CLK1、CLK2、CLK3、CLK4和CLK5，这5个不同频率的时钟信号再经过逻辑变换电路420获得所需要的开关逻辑信号K1、K2、K3和K4，分别对应开关电容电路500中的4个开关信号(稍后详述)。开关逻辑信号K1、K2、K3和K4的作用主要是控制振荡器100频率抖动的变化规律。改变逻辑变换电路420内部电路结构可改变频率抖动的变化规律，如周期性变化、随机性变化或两者的组合。

在本发明的一个实施例中，开关电容电路500包括多个并联的支路，其中每个支路包括顺次串联的第一开关管、第二开关管和第三开关管以及与第二开关管并联的第三电容，且多个支路中的第三电容的电容值成预定的比例，多个并联的支路的一端与参考电压V1相连，另一端通过一个第四开关管与振荡器100的第一电容C0相连，其中第一时钟信号控制多个支路中的第一开关管的导通和关断，第二时钟信号控制多个支路中的第二开关管的导通和关断，多个开关信号分别控制多个支路中的第三开关管的导通和关断，窄脉冲信号控制第四开关管的导通和关断。

具体地，图9为本发明一个实施例的开关电容电路的示意图，如图9所示，开关电容电路500包括4个并联的支路，第一支路包括顺次串联的第一开关管S1、第二开关管S1’和第三开关管K1以及与第二开关管S1’并联的第三电容C1，第二支路包括顺次串联的第一开关管S2、第二开关管S2’和第三开关管K2以及与第二开关管S2’并联的第三电容C2，第三支路包括顺次串联的第一开关管S3、第二开关管S3’和第三开关管K3以及与第二开关管S3’并联的第三电容C3，第四支路包括顺次串联的第一开关管S4、第二开关管S4’和第三开关管K4以及与第二开关管S4’并联的第四电容C4。其中，第二电容C1、C2、C3和C4的电容值比例为C1∶C2∶C3∶C4＝1∶2∶4∶8。4个并联的支路的一端与参考电压V1相连，另一端通过开关K0与第一电容C0相连。

不相交叠时钟产生电路300产生的两个不相交叠时钟信号Φ1和Φ2分别控制开关S1、S2、S3、S4与S1’、S2’、S3’、S4’。窄脉冲产生电路200所产生的窄脉冲信号CLK控制开关K0。逻辑控制电路400所产生的四个开关信号K1、K2、K3和K4分别控制开关K1、K2、K3和K4。

在本发明的一个实施例中，开关S1、S2、S3、S4与S1’、S2’、S3’、S4’可为MOS开关管，也可为其他开关。使用MOS开关管，具有体积小、重量轻的优点。

如图8和9中所示，逻辑控制电路400产生四个开关信号，相应地，开关电容电路500包括四个并联的支路，应理解，这仅为示意性的例子，并不用于限制本发明。在本发明的频率抖动系统中，逻辑控制电路400产生的开关信号的个数和开关电容电路500中开关管的个数可任意设置，只要其保证振荡器的频率可发生抖动即可，因此开关电容电路500中至少包括两个支路，逻辑控制电路400至少产生两个开关信号，由此可保证振荡器100的频率发生抖动。

下面结合图2至图11细描述本发明实施例的频率抖动系统的工作过程。其中，图10为频率抖动系统中的关键信号的波形图，横坐标代表时间t，纵坐标代表关键信号幅值，SW为振荡器100所产生的振荡频率输出信号，Vc为开关电容电路500中的电容C1或C2或C3或C4在其对应的开关导通且K0导通瞬间的变化波形。

当振荡器100输出的振荡频率输出信号SW开始下降的时候，反馈信号Feedback为高电平，窄脉冲信号CLK为低电平，此时，不相交叠时钟信号Φ1和Φ2分别为高电平和低电平，控制开关S1、S2、S3、S4导通，开关S1’、S2’、S3’、S4’截止，电容C1、C2、C3、C4充电至V1，根据电容电荷量的公式Q＝CU可计算出每个电容储存的电荷量。

当振荡器100输出的振荡频率输出信号SW开始上升的时候，反馈信号Feedback变为低电平，窄脉冲产生电路200同步产生一个窄脉冲信号CLK控制开关K0的导通。同时，不相交叠时钟信号Φ1和Φ2分别为低电平和高电平，控制开关S1、S2、S3、S4截止，开关S1’、S2’、S3’、S4’导通。

若开关K1、K2、K3和K4任一个开关导通或几个导通，则它们与开关K0同时导通的支路上的第二电容就与振荡器100中的第一电容C0发生电荷共享，其中参考电压V1大于振荡器100中的比较器的参考电压VL，由于开关K0导通的时间很短，可近似得到如下的电荷关系式，

V1*(K1*C1+K2*C2+K3*C3+K4*C4)+C0*VL

＝V*(C0+K1*C1+K2*C2+K3*C3+K4*C4)，

其中，当K1、K2、K3、K4导通时，K1、K2、K3、K4取值为1，截止时取值为0。

根据上式分析，第一电容C0在上升的初始时刻，受开关电容电路500支路上第二电容放电影响，第一电容上C0的电压快速改变一定的电压变化量，其中电压变化量ΔV＝V-VL。若第一电容C0上的电压波形即锯齿波信号上升的最大值VH(第二阈值电压)一定，Iref1对第一电容C0的充电能力不变，则锯齿波从最低值VL上升到VH值的时间T_rise受电压ΔV的影响，如果电压ΔV越大，即开关电容电路500支路上K1、K2、K3、K4导通的个数较多，则上升时间T_rise越短，电压ΔV越小，则上升时间T_rise越长。锯齿波从VH值变化到VL值时的下降时间T_fall固定不变，根据时钟周期T＝T_rise+T_fall可知，时钟周期T是可变的，所以得到振荡器100的工作频率是可变的，控制好周期T的变化范围即可实现频率抖动。

在本发明的一个实施例中，电路中K1、K2、K3和K4的频率分别对应窄脉冲信号CLK的时钟频率的2分频、16分频、128分频、512分频，结合开关电容电路500的特点，即可得到如图11所示的频率抖动规律趋势示意图，其中横坐标代表时间t，纵坐标代表频率幅值。

根据本发明实施例的频率抖动系统，在振荡器输出的振荡频率输出信号上升的时刻，利用开关电容电路向振荡器的充放电电容周期性地加入不同的电荷量而改变充放电电容的电荷量，在振荡器的振荡频率输出信号的充电电流能力保持不变且振荡频率输出信号上升的最大值一定的情况下，振荡频率输出信号的上升时间就会随着开关电容电路对充放电电容加入的电荷量的不同而变化，同时在电路中保持振荡频率输出信号的下降时间不变。由于开关电源芯片的时钟的周期为振荡频率输出信号的上升时间和下降时间之和，则可知开关电源芯片的工作频率按规定周期变化，从而可有效降低开关频率高次谐波所造成的电磁干扰，而且可降低外围应用的成本，提高产品的市场竞争力。此外，本发明实施例的频率抖动系统的内部电路可使用基本的电路元件制作，实现方便，成本较低。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种频率抖动系统，其特征在于，包括：

振荡器，用于产生振荡频率输出信号和反馈信号；

窄脉冲产生电路，所述窄脉冲产生电路与所述振荡器的输出端连接，用于根据所述反馈信号产生窄脉冲信号；

不相交叠时钟产生电路，所述不相交叠时钟产生电路与所述振荡器的输出端连接，用于根据所述反馈信号产生不相交叠的第一时钟信号和第二时钟信号；

逻辑控制电路，所述逻辑控制电路与所述窄脉冲产生电路的输出端连接，用于根据所述窄脉冲信号生成多个开关信号；和

开关电容电路，所述开关电容电路分别与所述振荡器、所述不相交叠时钟电路、所述窄脉冲产生电路和所述逻辑控制电路连接，用于根据所述窄脉冲信号、第一时钟信号、第二时钟信号和多个开关信号控制所述振荡频率输出信号的频率在预定的范围内发生周期性的变化。

2.根据权利要求1所述的频率抖动系统，其特征在于，所述振荡器具体包括：

第一电容，所述第一电容与所述开关电容电路相连，输出所述振荡频率输出信号；

第一恒流源，所述第一恒流源与所述第一电容相连；

第二恒流源，所述第二恒流源通过开关与所述第一电容相连；

第一比较器，所述第一比较器的同相输入端与第一阈值电压相连，所述第一比较器的反相输入端与所述第一恒流源相连；

第二比较器，所述第二比较器的同相输入端与所述开关相连，所述第二比较器的反相输入端与第二阈值电压相连；和

RS触发器，所述RS触发器的R端与所述第一比较器的输出端相连，所述RS触发器的S端与所述第二比较器的输出端相连，所述RS触发器的输出端分别与所述窄脉冲产生电路和所述开关相连以输出所述反馈信号至所述窄脉冲产生电路。

3.根据权利要求1所述的频率抖动系统，其特征在于，所述振荡器具体包括：

第三恒流源；

MOS管，所述MOS管的漏极与所述第三恒流源相连；

第二电容，所述第二电容分别与所述MOS管的漏极和所述开关电容电路相连，输出所述振荡频率输出信号；

第三比较器，所述第三比较器的同相输入端与所述第二电容相连，所述第三比较器的反相输入端与第三阈值电压相连，所述第三比较器的输出端分别与所述MOS管的栅极和所述窄脉冲产生电路相连以输出所述反馈信号至所述窄脉冲产生电路。

4.根据权利要求1所述的频率抖动系统，其特征在于，所述窄脉冲产生电路具体包括：

第一非门，所述第一非门的输入端接收所述反馈信号；

延时电路，所述延时电路的一端与所述第一非门的输出端相连，所述延时电路的另一端与第二非门的输入端相连；

第二非门，所述第二非门的输入端与所述延时电路相连，所述第二非门的输出端与第一与门相连；和

第一与门，所述第一与门的第一输入端与所述第一非门的输出端相连，所述第一与门的第二输入端与所述第二非门的输出端相连，所述第一与门的输出端与所述逻辑控制电路相连。

5.根据权利要求1所述的频率抖动系统，其特征在于，所述不相交叠时钟电路包括输出所述第一时钟信号的第一支路和输出所述第二时钟信号的第二支路，其中所述第一支路由第一与非门、第一反相器、第二反相器和第三反相器顺次串联而组成，所述第二支路由第四反相器、第二与非门、第五反相器、第六反相器和第七反相器顺次串联而组成，且所述第一与非门的第一输入端接收所述反馈信号，所述第一与非门的第二输入端与所述第六反相器的输出端相连，所述第四反相器的输入端接收所述反馈信号，所述第二与非门的第一输入端与所述第四反相器的输出端相连，所述第二与非门的第二输入端与所述第二反相器的输出端相连。

6.根据权利要求1所述的频率抖动系统，其特征在于，所述逻辑控制电路具体包括：

分频器，用于根据所述窄脉冲信号生成多个不同频率的时钟信号；和

逻辑变换电路，所述逻辑变换电路与所述分频器的输出端相连，用于根据所述多个不同频率的时钟信号生成多个所述开关信号。

7.根据权利要求1、2或6所述的频率抖动系统，其特征在于，所述开关电容电路进一步包括多个并联的支路，其中每个支路包括顺次串联的第一开关管、第二开关管和第三开关管以及与所述第二开关管并联的第三电容，且所述多个支路中的第三电容的电容值成预定的比例，所述多个并联的支路的一端与参考电压相连，所述多个并联的支路的另一端通过一个第四开关管与所述振荡器的第一电容相连，其中所述第一时钟信号控制所述多个支路中的第一开关管的导通和关断，所述第二时钟信号控制所述多个支路中的第二开关管的导通和关断，所述多个开关信号分别控制所述多个支路中的第三开关管的导通和关断，所述窄脉冲信号控制所述第四开关管的导通和关断。

8.根据权利要求7所述的频率抖动系统，其特征在于，所述支路的个数为至少两个。

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