CN103384117A - 一种变频模式转换器及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频模式转换器及其调控方法。变频模式转换器工作于变频模式下，包括功率级电路模块、变频信号级电路模块，变频信号级电路模块与功率级电路模块电连接形成一闭环电路系统。变频模式转换器还包括一调控单元，调控单元的输出在变频信号级电路模块中载入一连续变化的抖动信号，使得变频信号级电路模块控制的功率级电路模块工作频率连续变化。本发明在变频模式转换器中可降低EMI、有效减小或避免采用EMI滤波器。

Description

一种变频模式转换器及其调控方法

技术领域

本发明涉及开关电源领域，尤其涉及一种变频模式转换器及其调控方法。

背景技术

开关电源转换器以高效、节能等优点广泛应用在能量转换方面。从手机、MP3等便携式电子产品的充电器，到电视、冰箱等家电电器电源，到汽车电子、基站通信电源，再到新能源技术、航天军事技术等领域都有它的身影。

EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰）是在电子线路中较为常见的一种干扰。不论是在开关电源领域，还是在集成电路领域或其他电子领域，如何有效减小EMI都是电子设计者在设计线路或系统时需要考虑的问题。

按照工作频率变化方式不同，开关电源转换器可划分为两类：一类是定频模式转换器，另一类是变频模式转换器。这两类转换器如图1和图2所示均包括两个部分：定频模式转换器包括功率级电路模块101和定频信号级电路模块102；变频模式转换器包括功率级电路模块101和变频信号级电路模块202。

图1和图2所示的开关电源转换器的功率级电路模块101与定频信号级电路模块102或变频信号级电路模块202形成一闭环系统，如图3所示。G(S)为功率级电路模块的传递函数，H(S)为定频信号级电路模块102或者变频信号级电路模块202的传递函数。R（S）信号经传递函数G(S)后转化为C(S)。如图1和图2所示对于定频模式转换器和变频模式转换器，二者的功率级电路模块101可能相同，但定频信号级电路模块102与变频信号级电路模块202会有所差别。请参考图4所示例的一种定频模式转换器，定频模式转换器的定频信号级电路模块102通常会包含一可产生固定频率信号的振荡器，其振荡器的振荡频率是系统的工作频率，由Rt、Ct振荡决定。由于定频模式转换器的系统工作频率是恒定不变的，通过改变Rt、Ct的有效值可容易实现定频系统中抖频，从而起到使EMI降低的作用。在定频系统中，只要使振荡器发生抖动，就能实现抖频。在其他传统定频系统中实现抖频有较多方式，在此不再一一例举。

然而变频模式转换器的变频信号级电路模块202一般不包含有图4所示的振荡器。变频模式转换器的工作频率由其输入输出状态决定。以图5所示的反激式转换器的拓扑结构图为例，进一步描述变频模式转换器与定频模式转换器的差别。此反激式转换电路的信号级电路模块部分并未在图5中示意出，图5主要示意出功率级电路模块。图5所示的反激式转换电路既可以工作在定频模式，例如CCM(电流连续模式)；其也可以工作在变频模式下，例如DCMB(电流临界模式)。反激式转换电路工作在DCMB模式下的电流如图6所示。因此，从以上例举的开关电源转换器可看出，相同的功率电路模块既可工作在定频模式下，也可以工作在变频模式下，但定频模式下信号级电路模块的硬件或控制方法与变频模式下变频信号级电路模块的硬件或控制方法会有所不同。仍以图5所示的反激式转换器的拓扑图为例，请参阅图7所示，其工作在变频模式下工作频率会随着负载（即转换器的输出）变化而变化，而定频模式下其工作频率是固定的，不会受负载变化的影响（即不会随输出的变化而变化）。因此，变频模式转换器在一些情况下无法从功率级的拓扑图结构上与定频模式区分开，但可以从信号级电路模块或者控制方法上区别开。

同定频模式转换器一样，变频模式转换器中同样存在EMI的问题，变频模式转换器的工作频率会随输入输出的变化而变化，变频模式转换器的控制相对较为复杂，在变频模式中加入抖频功能较为困难。传统的方法是在变频模式转换器中增加一EMI滤波器达到降低EMI的目的。这样不但增加了成本，还增大变频模式转换器的体积。

变频转换器虽然效率高，在一些中小功率的开关电源系统中应用广泛，但EMI较差，如何在变频模式转换器中降低EMI、有效减小或避免采用EMI滤波器是本领域的技术人员面临的难题。

发明内容

本发明解决的问题在于，在变频模式转换器中降低EMI、减小或避免采用EMI滤波器。

本发明解决的问题还在于，在变频模式转换器中实现抖频。

本发明解决的问题还在于，降低成本、缩小体积。

本发明第一方面公开一种变频模式转换器，该变频模式转换器工作于变频模式下，包括功率级电路模块、变频信号级电路模块；变频信号级电路模块与功率级电路模块电连接形成一闭环电路系统。变频模式转换器还包括一调控单元，调控单元的输出在变频信号级电路模块中载入一连续变化的抖动信号，使得变频信号级电路模块控制的功率级电路模块工作频率连续变化。

该连续变化的抖动信号频率大于闭环电路系统的穿越频率，从而实现使得变频信号级电路控制功率级电路模块的工作频率连续变化。

在该第一方面公开的变频模式转换器的实施例中，调控单元为一抖动信号产生器，输出连续变化的抖动信号至变频信号级电路模块。变频信号级电路模块包括检测级电路和控制级电路。因此，调控单元输出的信号可载入控制级电路也可载入检测级电路，也可载入控制级电路。

在该第一方面公开的变频模式转换器的实施例中，调控单元为一调控元件和一与调控元件匹配的调控元件控制器，调控元件接入检测级电路中的输入检测级电路。调控元件控制器控制调控元件的参数值随时间连续变化，使得输入检测级电路载入连续变化的抖动信号。

本发明第二方面发明公开一种变频模式转换器，该变频模式转换器，包括功率级电路模块、变频信号级电路模块。变频信号级电路模块与功率级电路模块电连接形成一闭环电路系统，变频模式转换器还包括一调控单元，该调控单元接入功率级电路模块，调控单元可改变功率级电路模块的谐振参数使功率级电路模块的工作频率连续变化。在第三发明公开的变频模式转换器的实施例中，调控单元至少包括一调控元件和一与调控元件匹配的调控元件控制器，调控元件接入所述功率级电路模块，调控元件控制器控制所述调控元件的参数值随时间连续变化。该调控元件为可变电容、可变电感或可变电容和可变电感；调控元件控制器为对应的控制调控元件的控制器即可。

本发明第三方面公开一种变频模式转换器的调控方法，该变频模式转换器包括功率级电路模块、变频信号级电路模块。变频信号级电路模块与功率级电路模块电连接形成一闭环电路系统。该调控方法为：

在变频模式转换器中增设一调控单元，利用所述调控单元在变频信号级电路模块输入至功率级电路模块的信号载入一连续变化的抖动信号，使变频模式转换器的输出信号发生抖动，扩展变频模式转换器的工作频率范围。该连续变化的抖动信号的频率大于闭环电路系统的穿越频率，实现变频模式转换器工作频率范围的扩展。

本发明的技术效果为：在变频模式转换器中降低EMI，也可有效减小或避免采用EMI滤波器。在变频模式转换器中实现抖频，使EMI能量平均化，降低EMI抖动峰值。

附图说明

图1、4为定频模式转换器的结构示意图；

图2、8、9、11、12、23为变频模式转换器的结构示意图；

图3为开关电源转换器的自控结构示意图；

图5、13、16、17、20为反激式变频模式转换器拓扑图；

图6为反激式转换电路工作在DCMB模式下的电流时间关系图；

图7为定频模式转换器和变频模式转换器的工作频率与负载的关系示意图；

图10为图3所示闭环系统的波特图；

图14为BUCK为拓扑的变频模式转换器结构示意图；

图15为BOOST为拓扑的变频模式转换器结构示意图；

图18为变频模式转换器的以BUCK为拓扑的示意图；

图19为变频模式转换器的以BOOST为拓扑的示意图；

图21为图17的没有抖动信号产生器的变频模式转换器的EMI传导测试图；

图22为图17所示技术方案中，当抖动信号产生器为正弦波发生器电路时的EMI传导测试图；

图24、25、26为反激式变频模式转换器拓扑图；

图27为可变电阻模块对导通时间的影响示意图；

图28、29为变频模式转换器的结构示意图；

图30、31为反激式准谐振控制拓扑结构示意图；

图32为反激式准谐振漏极-源极电压波形示意图；

图33为变频模式转换器的LLC谐振电路示意图；

图34为PFM控制方式拓扑结构示意图；

图35为调控单元的结构示意图；

图36为以BUCK为拓扑的准谐振类的变频模式转换器示意图；

图37为以BOOST为拓扑的准谐振类的变频模式转换器示意图。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方式，结合附图对本发明做出了详细描述。

为有效降低EMI，且尽量避免使用EMI滤波器，本发明的主要技术方案是在变频模式转换器中实现抖频，从而使转换器产生的电磁干扰扩展分布在较广的频带，降低电源在某个频率点生成的EMI峰值，可有效防止转换器产生的电磁干扰在个别频段严重过高。

变频模式转换器在输入输出状态一定的情况下，工作频率相对稳定，此时的EMI在开关频率及其倍频处峰值较高。本发明在变频模式转换器中主动加入连续变化的抖动信号，使变频模式转换器工作频率连续变化，从而使变频模式转换器产生的电磁干扰扩展分布在较广的频带。同时，实现变频模式转换器的抖频需克服由于变频模式转换器自身所具备的稳定性所带来的对连续变化的抖动信号的消减，而实现变频模式转换器在输入输出相对稳定的情况下，其工作频率的抖动。本发明的变频模式转换器以DC-DC电源转换器进行举例说明。

本发明包括两个方面公开的变频模式转换器。第一方面公开的变频模式转换器是通过设置一调控单元输出一连续变化的抖动信号，并载入至变频模式转换器的变频信号级电路模块，使得变频信号级电路模块控制的功率级电路模块的工作频率发生连续变化。第二方面公开的变频模式转换器是在变频模式转换器的功率级电路模块中接入一调控单元，以改变功率级电路模块的谐振参数，从而使功率级电路模块的工作频率发生连续变化。图8所示为变频模式转换器的结构示意图，其对应该第一方面公开的变频模式转换器。图9所示为变频模式转换器的结构示意图，其对应第二方面公开的变频模式转换器。上述两个方面公开的变频模式转换器通过施加连续变化的抖动信号在变频模式转换器的不同位置，改变对变频模式转换器的工作频率存在影响的参数，从而实现工作频率的连续抖频。

第一方面公开的变频模式转换器对调控单元输出的连续变化的抖动信号存在要求：该抖动信号并非为瞬间的抖动信号，由于变频模式转换器为一闭环电路系统，瞬间的抖动信号无法实现使功率级电路模块的工作频率发生连续变化；另外当加入的抖动信号为连续变化的抖动信号，若抖动信号的频率低于闭环系统的穿越频率时，也容易被闭环电路系统自身消除，因此调控单元输出的连续变化的抖动信号的频率需大于闭环电路系统的穿越频率，从而可使功率级电路模块的工作频率发生连续变化。连续变化的抖动信号为周期性或非周期性的电压或电流波形，其幅值可为固定或变化的。需要注意的是，当变频模式转换器的输入输出在相对稳定的情况下，该连续变化的抖频信号同时会使得变频模式转换器的输出在一定范围内发生波动，为应对这种波动，设计者可根据对变频模式输出范围的实际需求来调节所述连续变化的抖动信号的幅值，使得变频模式转换器的输出波动处于设计要求所允许的范围内。

对于变频模式转换器整个如图3所示的闭环系统，结合图10所示的波特图示意图简述穿越频率的定义。R（s）、C（s）分别是输入、输出，G(s)为主电路，H（s）为反馈控制。在G（s）和H（s）组成的环路系统中，G(S)与H(S)的乘积表示系统的开环传递函数。开环传递函数G(S)H(S)的波特图增益为1（或0dB）时的频率称为穿越频率，其定义为幅频穿越0dB处的频率。穿越频率对应的相频曲线上的相位反映了该环路系统的相对稳定性。图10中所示曲线与横坐标的交点处即为穿越频率点。

以下对第一方面公开的变频模式转换器的多个实施例进行详细描述。

实施例1

在变频模式转换器中，如果连续改变变频信号级电路模块环节中的控制信号，可引起功率级电路模块的工作频率连续变化。如果变频信号级电路模块连续载入大于变频模式转换器穿越频率的抖频信号，功率级电路模块的工作频率就会发生连续变化，从而使变频模式转换器的工作频率抖动。

如图11所示为变频模式转换器的结构示意图。其中，调控单元由一抖动信号产生器107实现。抖动信号产生器107输出该连续变化的抖动信号至变频信号级电路模块202。抖动信号产生器107可为现有技术中常见的信号产生器。该连续变化的抖动信号载入至变频信号级电路模块202。抖动信号产生器107通过产生该连续变化的抖动信号，改变变频信号级电路模块202输出至功率级电路模块101的控制信号，从而实现变频模式转换器的工作频率抖动。其中，该连续变化的抖动信号的频率大于变频模式转换器的闭环电路系统的穿越频率。抖动信号产生器107可以设置在功率级电路模块或变频信号级电路模块中的任意位置。

实施例2

在图11的技术方案的基础上，更为具体的，本发明公开了另一技术方案，参阅图12所示。

变频信号级电路模块202包括检测级电路和控制级电路。以图13所示的反激式变频模式转换器拓扑图为例，其中，功率级电路模块101包括电解电容C_bus301、变压器302、整流二极管D303、输出电解电容C₀304和功率开关管307。检测级电路包括检测电阻R_cs308、电阻305和光耦306，检测电阻R_cs308用于电流采样检测。其中，检测电阻R_cs308属于输入检测级电路，电阻305和光耦306属于输出检测级电路，输出检测级电路检测功率级电路模块101的输出。控制级电路包括驱动装置和反馈控制电路。反馈控制电路接收光耦306输出的信号输出反馈信号至驱动装置，驱动装置输出控制信号至功率级电路模块。抖动信号产生器107的输出信号载入检测级电路，例如载入输入检测级电路。具体的例举了三种电路拓扑图，如图13至图15所示，抖动信号产生器107的输出连接至检测电阻R_cs208的一端，将抖动信号产生器107产生的连续变化的抖动信号载入到输入检测级电路的电流采样检测中，从而改变输入检测级电路检测信号的大小，使输入检测级电路输入至控制级电路的信号连续抖动进而实现对功率级电路模块101工作频率的影响。

在图13所示的反激式的变频模式转换器的电路拓扑图中，抖动信号产生器107所产生的连续变化的抖动信号包括幅值固定或变化的电压或电流波形，该波形为周期性或非周期性，该波形包括正弦波、三角波、方波、梯形波或各种波形的叠加波等。该连续变化的抖动信号通过加法器、乘法器、放大器等方式间接或直接载入到输入检测级所检测的信号上，例如电流采样检测信号，从而引起输入检测级所检测的信号值连续发生改变。

本领域的技术人员可知，变频模式转换器的功率开关管307的开通时间决定了工作频率。在未设置该抖动信号产生器时，功率开关管在检测信号达到特定数值时才发生关断，设置该抖动信号产生器后，当加入的连续变化的抖动信号使检测信号减小时，变频模式转换器的功率开关管还要保持开通直到到达原检测信号大小时，功率开关管才会关断。这就使得变频模式转换器的驱动周期增加，驱动频率减小，变频模式转换器的工作频率也随之减小。当加入的连续变化的抖动信号使检测信号增大时，变频模式转换器的工作频率则随之增加。

连续变化的抖动信号的波形幅值大小决定了检测信号值的改变量的多少，进而影响工作频率变化的多少。同时，连续变化的抖动信号频率大于整个变频模式转换器的闭环电路系统的穿越频率时，加入连续变化的抖动信号才不会被变频模式转换器自身的系统衰减掉，从而可使变频模式转换器的工作频率就会发生连续变化，从而实现变频模式转换器的工作频率的连续抖动。

这种通过改变输入检测级电路所检测信号的大小，例如电流采样检测信号的大小而实现频率抖动的方法，同样可应用在BUCK、BOOST为拓扑的变频模式转换器中，请参阅图14、15分别为BUCK、BOOST为拓扑的变频模式转换器结构示意图，其变频信号级电路模块的部分未在图14、15示意出。

图14、15中的Rcs均为检测电阻，抖动信号产生器107设置在检测电阻的一端，抖动信号产生器107产生的连续变化的抖动信号加入到检测电阻Rcs处的电流采样检测信号中，从而影响功率开关管407的开通时间，进而影响整个电路的工作频率。

实施例3

与图13类似的，本发明还公开了一技术方案，请参见图16。图13通过直接改变电流检测信号的大小，来实现工作频率的连续抖动，图16例举了本发明将调控单元产生的连续变化的抖动信号加入输出检测级电路的实施例。具体地，在图16例举的实施例中例举改变输出检测级电路的电压检测信号大小，来实现变频模式转换器工作频率抖动的实施例。

变频信号级电路模块包括检测级电路和控制级电路。其中，功率级电路模块包括电解电容C_bus301、变压器302、整流二极管D303、输出电解电容C₀304和功率开关管307。信号检测级包括检测电阻R_cs308、电阻305和光耦306，电阻305用于变频模式转换器输出端的电压采样检测。其中，检测电阻R_cs308属于输入检测级电路，电阻305和光耦306属于输出检测级电路。输入检测级电路和输出检测级电路分别检测功率模块的输入和输出，输出信号至控制级电路。控制级电路包括驱动装置和反馈控制电路。反馈控制电路接收光耦306输出反馈信号至驱动装置，驱动装置输出控制信号至功率级电路模块。在本实施例中，调控单元为抖动信号产生器107。抖动信号产生器107的输出信号载入检测级电路，具体是载入输出检测级电路，从而使输出检测级电路输入至控制级电路的信号抖动。具体的，抖动信号产生器107输出信号载入电阻305的一端，从而影响输出检测级所检测的电阻305处的电压检测信号。

在图16的反激式的变频模式转换器的电路拓扑图中，抖动信号产生器107所产生的连续变化的抖动信号包括幅值固定或变化的电压或电流波形，该波形为周期性或非周期性，该波形包括正弦波、三角波、方波、梯形波或各种波形的叠加波等。该连续变化的抖动信号通过一加法器、乘法器或放大器间接或直接载入到输出检测级电路的电压检测信号上，从而引起检测信号的大小发生改变，例如，通过加法器载入即电压检测信号与连续变化的抖动信号叠加。

载入了连续变化的抖动信号的电压检测信号被输送至光耦306，经过光耦隔离到反馈控制电路，从而影响反馈控制电路输出的反馈信号。反馈信号通过驱动装置输出的控制信号而影响功率级电路模块中功率开关管的开通时间，而功率开关管307的开通时间决定了变频模式转换器的工作频率。

如果加入的连续变化的抖动信号使输出检测级所检测的电压检测信号增大，就会使功率开关管开通时间增加，导致驱动周期增加，则驱动频率减小，则转换器的工作频率也随之变小。相应的，如果加入的连续变化的抖动信号使输出检测级所检测的电压检测信号减小，驱动周期减小，就会使转换器的工作频率增大。抖动信号产生器产生的连续变化的抖动信号的波形幅值大小，决定检测信号的改变量的多少，进而影响频率变化的多少。当连续变化的抖动信号的频率大于变频模式转化器的穿越频率时，可连续使电压检测信号发生改变，从而使变频模式转换器的工作频率连续变化，实现频率连续抖动。

这种将带有抖动信号产生器的调控单元106载入到输出检测级电路的方式，同样可以应用在以BUCK、BOOST等拓扑的变频模式转换器的输出检测级中。

实施例4

该调控单元6可设置于控制级电路。

图17为反激式的变频模式转换器的电路拓扑图。其基本结构与图13、16类似，控制级电路包括驱动装置和反馈控制电路。所不同的是，抖动信号产生器107所产生的连续变化的抖动信号通过加法器、乘法器或放大器等方式间接或直接的载入反馈控制电路输出的反馈信号上，从而使反馈信号发生变化。该连续变化的抖动信号包括正弦波信号、三角波、方波、梯形波或各种波形的叠加波。该连续变化的抖动信号的幅值固定或变化，该连续变化的抖动信号可为周期性或非周期性变化的电压或电流波形。连续变化的抖动信号的波形幅值大小决定引起反馈信号的改变量的多少，进而影响驱动装置所输出至功率级电路模块的控制信号，使得功率级电路模块的工作发生变化。持续载入连续变化的抖动信号，功率级电路模块的工作频率就会连续变化，从而实现变频模式转换器工作频率的连续抖动。

抖动信号产生器输出信号的频率需大于变频模式转换器整个闭环电路系统的穿越频率，实现变频模式转换器工作频率的连续抖动。产生的连续变化的抖动信号的波形幅值大小，决定反馈信号的改变量的多少，进而影响工作频率变化的多少。如果连续使反馈信号发生改变，变频模式转换器的工作频率也会发生连续变化，从而实现工作频率的连续抖动。

事实上，该调控单元106可以设置在控制级电路的各个环节，即，连续变化的抖动信号可不仅仅是加载在反馈信号中，也在加载在控制级电路的其他信号中。

通过将该调控单元106产生的连续变化的抖动信号载入控制级电路中反馈控制电路输出至驱动装置的信号上来实现频率抖动的方法，同样可以应用在以BUCK、BOOST为拓扑的变频模式转换器中，如图18、19所示。图18与图19中信号级电路模块部分未示意出。

该调控单元106产生的连续变化的抖动信号也可加载到控制级电路输出至功率级电路模块的控制信号中，例如如图20所示。抖动信号产生器107所输出的连续变化的抖动信号可载入到驱动装置输出至功率级电路模块中功率开关管307控制极的信号中。同样也可以应用在Buck、Boost为拓扑的变频模式转换中。

图21为图17的没有抖动信号产生器107的变频模式转换器的EMI传导测试图，图中两条平行的规则线，上面一条是EMI准峰值的上限，下面一条是EMI平均值的上限，叉号表示在某一频率点处的准峰值，加号表示在某一频率处的平均值，纵坐标值越大说明EMI越差。考虑到同一类型变频模式转换器之间存在差异，为避免变频模式转换器因正常差异导致EMI超出上限，一般都要求准峰值和平均值离各自的上限有一定的距离余量。

①号线是峰值线，经运算可得到某频率点处的准峰值；②号线是EMI平均值线。从图21中可以看到系统的工作频率约为固定的110kHz，在工作频率的各个倍频处的EMI能量很高。在330kHz、440kHz处，Average线频带较窄，峰值很尖，离上限只有约3dB～4dB的余量。

图22是图17所示技术方案中，当抖动信号产生器为正弦波发生器电路时的EMI传导测试图。

可以看到在工作频率的各个倍频处EMI能量分布在相对较宽的频带上，从而分散了峰值能量。均匀化后的平均值线的余量在10dB左右，可以看到EMI平均值有较为显著的减小，同时对于峰值线的测试结果来看也有一定的改善（编号①曲线为峰值线，编号②曲线为平均值线）。

将调控单元加入到变频信号级电路模块的控制级电路的其他位置上，同样可以实现抖频功能，并不限制于以上实施例。

实施例5

除直接改变检测信号或反馈信号的大小外，还可通过控制检测电阻的大小的间接方式改变检测信号的大小，从而改变变频模式转换器的工作频率，请参见图23所示。

变频信号级电路模块202包括检测级电路和控制级电路，检测级电路包括输入检测级电路和输出检测级电路，调控单元106与输入检测级电路电连接。

更为具体的，请参阅图24、25、26所示。

检测电阻R_cs308属于输入检测级电路，调控单元106与检测电阻R_cs308电连接，从检测电阻R_cs308处可获得电流检测信号。调控单元106包括调控元件以及与该调控元件匹配的调控元件控制器。该调控元件106可为一可变电阻，该可变电阻的阻值在与该可变电阻匹配的可变电阻控制器的控制下，随时间变化，从而实现在输入级检测电路输入检测信号上载入连续变化的抖动信号。

具体来说，可变电阻为电阻Rt，检测电阻R_cs308与电阻Rt串联或并联，图25中所示为并联。电阻Rt接受来自可变电阻控制器的控制信号。通过设置该电阻Rt，改变流经该检测电阻R_cs308的峰值电流，即，改变检测信号，进而变频模式转换器的工作频率。

更为具体的，如图26所示，电阻Rt由工作在线性区的三极管309实现，可变电阻控制器310是一个能够输出变化的电压的电路模块，其可以输出周期或非周期性变化的电压信号，该电压信号可以是正弦波、三角波形、方波、梯形波以及叠加波等。而改变加载至该三极管的基极电压就可使三极管输出不同的阻抗。通过可变电阻控制器输出的变化的电压信号就可以控制三极管的阻抗持续发生变化。而并联至检测电阻R_cs308的三极管309的阻抗持续发生变化，即可使检测电阻R_cs308中的电流检测信号持续发生变化。

在反激式拓扑结构中，流过功率开关管的原边峰值电流大小与功率开关管导通时间相关，峰值电流越大功率开关管的导通时间就越长，导通时间与变频模式转换器的工作频率相关。

在几个开关周期的短时间内可认为检测电阻R_cs两端的电压采样信号Vcs不变，其中Vcs=Ipeak*Rcs，Ipeak为流经检测电阻R_cs的峰值电流。在并联该三极管后，如果检测电阻R_cs两端要得到同样的Vcs采样电压值，此时的流经检测电阻R_cs的峰值电流为Ipeak2=Ipeak*RcsRt/(Rcs+Rt)。由此可见峰值电流Ipeak2是一个与Rt值有关的量，并且峰值电流Ipeak2由于Rt变化而变化。

由于峰值电流越大功率开关管的导通时间就越长，故而在同一Vcs时，没有Rt电阻时的功率开关管开通时间Ton和并联上阻值Rt后的功率开关管开通时间Ton2相比，由于整体输入级检测电路中的检测电阻R308等效变小，同时接入的电阻Rt随时呈线性变化，从而使得流过功率开关管的原边峰值电流变大，进而使得Ton2>Ton，参阅图27所示为可变电阻模块对导通时间的影响示意图。因此，上述例举的调控单元利用在变频信号级电路模块中的输入检测级电路接入随时间变化的可变电阻，实现使输入检测级电路的检测信号载入一随时间连续变化的抖动信号，从而影响功率开关导通时间的连续变化，进而使变频模式转换器的工作频率实现连续的抖动。可变电阻随时间连续变化产生的抖动信号的频率需大于变频模式转换器穿越频率，可使可变电阻在输入检测级电路中实现的连续变化的抖动信号不被变频模式转换器自身闭环电路系统给衰减掉，实现变频模式转换器工作频率的连续变化，即工作频率的连续抖动。

工作频率的抖动可以使EMI能量平均化，有效降低变频模式转换器EMI干扰，减小或避免使用传统技术中的EMI滤波器。

对本发明第一种方式的变频模式转换器仅例举以上5种实施例。但本发明的保护范围不局限于以上实施例，以权利要求书来确定。对于部分变频模式转换器可能所接负载会影响其穿越频率的大小，因此可以根据该变频模式转换器所接负载的范围确定穿越频率的范围。调控单元106所产生的连续变化的抖动信号的频率大于该穿越频率范围中的最大穿越频率，即可在变换模式转换器所接负载在负载范围内均能实现其工作频率的连续抖动。虽然本发明第一种方式的变频模式转换器例举的实施例均是以DC-DC类型的变频模式转换器为例进行说明，但是此种变频模式转换器也可以是AC-DC、DC-AC、AC-AC等其他类型的变频模式转换器。

以下对第二方面公开的变频模式转换器进行详细描述。

除上述方式外，通过增加调控单元改变功率级电路模块的参数，特别是改变谐振状态下的谐振元件参数，也可使变频模式转换器的工作频率发生连续变化，实现抖频。

如图28所示为变频模式转换器的结构示意图，变频模式转换器包括功率级电路模块101和变频信号级电路模块202，二者电连接形成一闭环电路系统。变频模式转换器还包括一调控单元106，调控单元106接入该功率电路模块101。调控单元106改变功率级电路模块的谐振参数使功率级电路模块的工作频率发生连续变化。

更为具体的，请参阅图29所示为变频模式转换器的结构示意图，调控单元106包括调控元件以及与该调控元件匹配的调控元件控制器。该调控元件接入功率级电路模块101，调控元件控制器控制该调控元件的参数值随时间变化。

实施例1

在图29的基础上，请进一步参阅图30、31，其为反激式准谐振控制拓扑结构示意图。电解电容301、变压器302、功率开关管307，整流二极管303、输出电解电容304组成功率级电路模块101。

其中，调控单元106电连接至功率开关管307的漏极，调控元件为一可变电容1061，调控元件控制器为一控制电路1062。这种可变电容Ct1061可以是数字可变电容器或固态可变电容器。

图31所示技术方案的工作过程为，当功率开关管307关断，变压器302的电感中的能量传输完成后以及次级整流二极管303也关断时，变压器的励磁电感和漏极寄生电容开始谐振，此时检测功率开关管307的漏极-源极间电压,当漏极-源极间电压较低时，功率开关管307将开通（但不限于在第一次检测到较低电压时开通，这样可以有效降低功率开关管的开通损耗，提高转换效率，在第几个谷底处开通功率开关管由输入电压及负载大小决定）。图32为反激式准谐振式变频模式转换器中功率开关管漏极-源极电压波形示意图。图32示意在功率开关管在第二个谷底处开通。

发生谐振时，谐振频率fm由励磁电感L和功率开关管307的漏极寄生电容Ci振荡决定，即fm=1/T。

$T=2\mathrm{\π}\sqrt{L\·C_i}---\left(1\right)$

其中，T为工作周期。此时，在功率开关管漏极处添加一个可控容值的可变电容，就可以使功率开关管等效的寄生电容值Ci发生改变，从而通过改变谐振频率fm来改变整个谐振时间Tosc的长短，最终使开关周期变化。从图31例举的可变电容实施例描述，当可变电容Ct容值增大时，Ci变大，由公式（1）可知Tosc变长，工作周期变长，工作频率减少；当可变电容Ct容值减少时，Ci变小，由公式（1）可知Tosc变短，工作周期变短，工作频率增加。如果等效电容值连续变化，变频模式转换器的工作频率就会发生连续变化，从而实现频率抖动。

工作频率的抖动可以使EMI能量平均化，有效降低变频转换器EMI，从而减小或避免使用传统技术中的EMI滤波器。

实施例2

在图29的基础上，请进一步参阅图33，其为变频模式转换器的LLC谐振电路示意图。其中，该谐振电路中包括谐振电容Cs以及谐振电感Ls，其均属于功率级电路模块。

在串、并联LLC谐振电路中，开关频率是与谐振频率相关的量，而开关频率即为变频模式转换器的工作频率。

谐振频率与参与谐振的元件的谐振参数相关，因此，如果能够连续改变谐振电容Cs有效容值，则谐振频率就会发生连续改变，从而使LLC转换器的工作频率发生连续变化。

该调控元件为一可变电容Ct，并联至该谐振电容Cs，该可变电容Ct可以是数字可变电容器或固态可变电容器。调控元件控制器为一控制电路，该可变电容Ct的阻值受到控制电路的控制而随时间改变。如图33所示为串联谐振LLC电路，该种变频模式转换器其只有变频模式，从其功率级电路模块的拓扑图结构就可以将其与定频模式转换器区分开。图34所示的拓扑图结构与本发明所描述的其他实施例中反激式、升压、降压的转换器PWM控制方式不同，其为PFM控制方式。对图33所示串联谐振LLC电路工作过程进行说明，当可变电容Ct容值增大时，则谐振电路的谐振频率就会减小，变频模式转换器的工作频率也会相应的减小；反之，当可变电容Ct的电容值减小，谐振频率就会增加，变频模式转换器的开关频率也会增加。因此，通过可变电容Ct连续的控制谐振电容Cs的容值变化，就可以使转换器的开关频率发生连续变化，从而实现频率抖动。

实施例3

与实施例2类似的，除了持续改变谐振电容Cs的电容值外，还可通过持续改变谐振电感Ls的电感值的方式，达到改变谐振频率的目的，改变转换器的开关频率，实现抖频。如图34所示为变频模式转换器的LLC谐振电路示意图。该种变频模式转换器其只有变频模式，从其功率级电路模块的拓扑图结构就可以将其与定频模式转换器区分开。图34所示的拓扑图结构与本发明所描述的其他实施例中反激式、升压、降压的转换器PWM控制方式不同，其为PFM控制方式。

在此实施例中，该调控元件为一可变电感Lt，并联至该谐振电感Ls。调控元件控制器为一控制电路，该可变电感Lt的电感值受到控制电路的控制而随时间改变。如图35所示为调控单元的结构示意图。电流源Io为该控制电路。可变电感Lt的电感值由通过磁芯的磁通量的多少决定，Io电流源通过不断改变导线中电流的变化来改变磁芯中的磁通量，从而使Lt的电感发生变化。可变电感Lt的电感量的改变使谐振频率改变，转换器的工作频率发生相应变化。谐振频率增加，转换器的开关频率相应增加；谐振频率减小，转换器的开关频率相应减小。连续变化的可变电感Lt的电感量，最终使LLC转换器的工作频率发生连续变化，实现频率的连续抖动。

实施例4

调控元件可包括可变电容与可变电感的组合。所述调控元件控制器控制该可变电容和可变电感的参数值随时间变化。

例如，可在图33所示电路中设置图34所示的可变电感Lt以及相应的控制电路。

实施例5

通过在功率级电路模块改变谐振元件参数的方法，同样可以应用在以BUCK、BOOST为拓扑的准谐振类的变频模式转换器中，如图36、37所示，其原理都是通过改变谐振周期来影响功率开关频率。

上述两种方式的技术方案还包括多种变形，例如，调控单元106可依照前述任一实施例的方式，同时加在功率级电路模块和变频信号级电路模块上，以实现输入输出稳定下的具有频率抖动的变频模式转换器。

基于以上本发明两个方面公开的变频模式转换器，本发明第三方面还公开了一种变频模式转换器的调控方法，调控方法为：

该变频模式转换器包括功率级电路模块、变频信号级电路模块。变频信号级电路模块与功率级电路模块电连接形成一闭环电路系统。该调控方法为：在变频模式转换器中增设一调控单元，利用所述调控单元在变频信号级电路模块输入至功率级电路模块的信号载入一连续变化的抖动信号，使变频模式转换器的输出信号发生抖动，扩展变频模式转换器的工作频率范围。该连续变化的抖动信号的频率大于闭环电路系统的穿越频率，实现变频模式转换器工作频率范围的扩展。连续变化的抖动信号为幅值固定或变化的周期性或非周期性电压或电流波形。其中，调控单元采用一抖动信号产生器，将抖动信号产生器产生的连续变化的抖动信号输入至变频信号级电路模块，实现变频信号级电路模块输入至功率级电路模块信号的调节。对于变频信号级电路模块包括输入检测级电路和控制级电路，输入检测级电路输出信号至控制级电路，调控单元可采用一调控元件和与调控元件匹配的调控元件控制器，将调控元件接入输入检测级电路，利用调控元件控制器控制调控元件参数随时间变化而载入连续变化的抖动信号至输入检测级电路输出至控制级电路的信号。

这些控制方法可以用于电流临界模式，断续模式等各种变频模式转换器中，但不限制于此。

本发明在变频模式转换器中可降低EMI、减小或避免采用EMI滤波器。在变频模式转换器中实现了连续抖频，使EMI能量平均化，有效解决中低频段的EMI峰值较高的问题、降低成本、缩小体积。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (22)

1.一种变频模式转换器，所述变频模式转换器工作于变频模式下，包括功率级电路模块、变频信号级电路模块，所述变频信号级电路模块与所述功率级电路模块电连接形成一闭环电路系统，其特征在于，所述变频模式转换器还包括一调控单元，所述调控单元的输出在所述变频信号级电路模块中载入一连续变化的抖动信号，使得变频信号级电路模块控制的功率级电路模块工作频率连续变化。

2.如权利要求1所述的变频模式转换器，其特征在于，所述调控单元为一抖动信号产生器，输出所述连续变化的抖动信号至所述变频信号级电路模块。

3.如权利要求2所述的变频模式转换器，其特征在于，所述变频信号级电路模块包括检测级电路和控制级电路，所述检测级电路检测所述功率级电路模块并输出信号至所述控制级电路，所述控制级电路输出信号至所述功率级电路模块，所述抖动信号产生器的输出信号载入所述检测级电路。

4.如权利要求3所述的变频模式转换器，其特征在于，所述检测级电路包括输入检测级电路和输出检测级电路，所述抖动信号产生器的输出信号载入所述输入检测级电路，使所述输入检测级电路输出至所述控制级电路的信号连续抖动。

5.如权利要求3所述的变频模式转换器，其特征在于，所述检测级电路包括输入检测级电路和输出检测级电路，所述抖动信号产生器的输出信号载入所述输出检测级电路，使所述输出检测级电路输出至所述控制级电路的信号连续抖动。

6.如权利要求2所述的变频模式转换器，其特征在于，所述变频信号级电路模块包括检测级电路和控制级电路，所述检测级电路检测所述功率级电路模块并输出信号至所述控制级电路，所述控制级电路输出信号至所述功率级电路模块，所述抖动信号产生器的输出信号载入所述控制级电路，使控制级电路输出至所述功率级电路模块的信号连续抖动。

7.如权利要求6所述的变频模式转换器，其特征在于，所述控制级电路包括反馈控制电路和驱动装置，所述反馈控制电路接收所述检测级电路输出的信号并输出信号至所述驱动装置，所述抖动信号产生器的输出信号载入所述反馈控制电路输出端。

8.如权利要求1所述的变频模式转换器，其特征在于，所述变频信号级电路模块包括检测级电路和控制级电路，所述检测级电路包括输入检测级电路和输出检测级电路，所述调控单元与所述输入检测级电路电连接。

9.如权利要求8所述的变频模式转换器，其特征在于，所述调控单元为一调控元件和一与所述调控元件匹配的调控元件控制器，所述调控元件接入所述输入检测级电路，所述调控元件控制器控制所述调控元件的参数值随时间连续变化，使得所述输入检测级电路载入所述连续变化的抖动信号。

10.如权利要求9所述的变频模式转换器，其特征在于，所述调控元件为可变电阻，所述调控元件控制器为可变电阻控制器。

11.如权利要求1至10任一所述的变频模式转换器，其特征在于，所述连续变化的抖动信号频率大于所述闭环电路系统的穿越频率。

12.如权利要求11所述的变频模式转换器，其特征在于，所述连续变化的抖动信号为幅值固定或变化的周期性或非周期性电压或电流波形。

13.一种变频模式转换器的调控方法，所述变频模式转换器包括功率级电路模块、变频信号级电路模块，所述变频信号级电路模块与所述功率级电路模块电连接形成一闭环电路系统，其特征在于，所述调控方法为：

在所述变频模式转换器中增设一调控单元，利用所述调控单元在所述变频信号级电路模块输入至功率级电路模块的信号载入一连续变化的抖动信号，使所述变频模式转换器的输出信号发生抖动，扩展所述变频模式转换器的工作频率范围。

14.如权利要求13所述的调控方法，其特征在于，所述调控单元采用一抖动信号产生器，将所述抖动信号产生器产生的所述连续变化的抖动信号载入至所述变频信号级电路模块。

15.如权利要求13所述的调控方法，其特征在于，所述变频信号级电路模块包括输入检测级电路和控制级电路，所述输入检测级电路输出信号至所述控制级电路，所述调控单元采用一调控元件和与调控元件匹配的调控元件控制器，将所述调控元件接入所述输入检测级电路，利用所述调控元件控制器控制所述调控元件参数随时间连续变化而形成在所述输入检测级电路输出至所述控制级电路的信号上载入所述连续变化的抖动信号。

16.如权利要求13至15任一所述的调控方法，其特征在于，所述连续变化的抖动信号的频率大于所述闭环电路系统的穿越频率。

17.如权利要求16所述的调控方法，其特征在于，所述连续变化的抖动信号为幅值固定或变化的周期性或非周期性电压或电流波形。

18.一种变频模式转换器，包括功率级电路模块、变频信号级电路模块，所述变频信号级电路模块与所述功率级电路模块电连接形成一闭环电路系统，其特征在于，所述变频模式转换器还包括一调控单元，所述调控单元接入所述功率级电路模块，所述调控单元可改变功率级电路模块的谐振参数使所述功率级电路模块的工作频率连续变化。

19.如权利要求18所述变频模式转换器，其特征在于，所述调控单元至少包括一调控元件和一与调控元件匹配的调控元件控制器，所述调控元件接入所述功率级电路模块，所述调控元件控制器控制所述调控元件的参数值随时间连续变化。

20.如权利要求19所述的变频模式转换器，其特征在于，所述调控元件为可变电容，所述可变电容接入所述功率电路模块，所述调控元件控制器为可变电容控制器。

21.如权利要求19所述的变频模式转换器，其特征在于，所述调控元件为可变电感，所述可变电感接入所述功率电路模块，所述调控元件控制器为可变电感控制器。

22.如权利要求19所述的变频模式转换器，其特征在于，所述调控元件可为可变电容和可变电感的组合，所述调控元件控制器控制可变电容和/或可变电感的参数值随时间连续变化。

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