CN104242613B - 应用于程控直流电源的同步扩频电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于程控直流电源的同步扩频电路，其特征在于：包括有三路开关电源，每个开关电源均由型号为SG3525的控制芯片N1构成，其中一路开关电源作为主频率开关电源，通过主频率开关电源同步其他开关电源的开关频率。同时，由运放N2和三极管V1构成扩频电路，通过调制信号改变三极管的电流达到调整三极管等效电阻，最终完成对SG3525定时电阻的调制，实现扩频技术。本发明采用同步扩频技术，让多路开关电源的开关管工作在统一频率下，从而使各路开关电源产生的谐波大致在一个窄带范围内，最终只需要一个窄带滤波器就可以滤除由功率管开关状态导致的谐波及噪声。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源领域，具体是一种应用于程控直流电源的同步扩频电路及方法。
背景技术
从上个世纪开始，开关电源得到迅猛发展与应用，目前已经广泛地用于计算机、通信设备、控制设备、家用电器等电子设备中。开关电源与线性电源相比，具有效率高、功耗小、体积轻、尺寸小等特点。但是，由于开关电源中采用开关、逆变等电路，在工作过程中将产生较强的电磁干扰。这些噪声干扰将会污染周边的电磁环境，也干扰自身的正常工作。因此，电磁兼容性是开关电源普及中面临的新问题，也是开关电源工程设计人员亟需解决的问题。这个问题在多模块程控直流开关电源同步扩频技术中尤为突出。
电磁干扰信号对设备的正常工作是非常有害的。当EMI信号通过公用电源窜入到计算机及其他计算技术的仪表上，可能导致程序错误、存储信息丢失，甚至系统的损坏。当EMI信号作用到逻辑电路上，会导致错误的逻辑运行，得到错误的结果。
开关电源的电磁干扰主要来源于工作在开关状态的功率器件，而现代开关电源不仅要提供所需的电气性能，而且要符合国际EMC规范。因此，必须减小其EMI噪声。对EMI信号及高次谐波的抑制措施可根据干扰信号传播途径加以选择，一般有屏蔽、滤波、接地。但程控直流电源整机存在多个开关电源模块且这几个电源模块的开关频率不同，将导致滤波电路非常盘大，而且会引入差频干扰，造成整机中信号处理失真，可靠性降低等问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种应用于程控直流电源的同步扩频电路及方法，以解决现有技术开关电源存在电磁干扰信号的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
应用于程控直流电源的同步扩频电路，其特征在于：包括有三路开关电源，其中：
第一路开关电源包括运算放大器N2、三极管V1、型号为SG3525的控制芯片N1，运算放大器N2的反相输入端与运算放大器N2输出端连接，运算放大器N2的同相输入端连接调整信号，运算放大器N2的输出端与三极管V1的基极相连，三极管V1的发射极通过电阻R10接地，三极管V1的集电极与控制芯片N1的RT引脚连接，控制芯片N1的Input-脚通过相互并联的电阻R6、电容C3接地，控制芯片N1的Input-脚与Vref脚之间连接有相互并联的电阻R2、R3，且Vref脚还输出5V基准电压、通过电容C1接地，控制芯片N1的Vcc、Vc共接后输入15V供电电压，控制芯片N1的Discharge脚依次通过串联的电阻R9和电容C8、Soft-Start脚通过电容C6、Comp脚通过电容C7分别接地，GND脚直接接地，控制芯片N1的CT脚接入电阻R9与电容C8之间，控制芯片N1的Comp脚还依次通过串联的电阻R8、电容C4与Input+脚连接，控制芯片N1的Input+脚通过电阻R7接地，Input+脚还通过依次串联的电阻R5、电容C2、电容C5接地，电容C2和电容C5共连后接入5V反馈电压、且电阻R5与电容C2串联后的两端并接有电阻R4，，控制芯片N1的Shutdown脚通过电阻R1接入关断信号，控制芯片N1的OSC.Output脚产生控制芯片N3和N4同步信号，控制芯片N1的Output A和Output B脚是互补的脉冲开关信号，作为第一路开关电源中开关器件的控制输出端；
第二路开关电源包括型号为SG3525的控制芯片N3，控制芯片N3的Input-脚通过相互并联的电阻R16、电容C11接地，控制芯片N3的Input-脚与Vref脚之间连接有相互并联的电阻R12、R13，且Vref脚还输出5V基准电压、通过电容C9接地，控制芯片N3的Vcc、Vc共接后输入15V供电电压，控制芯片N3的Discharge脚依次通过串联的电阻R19和电容C16、RT引脚通过电阻R20、Comp脚通过电容C15分别接地，GND脚直接接地，控制芯片N3的CT脚接入电阻R19与电容C16之间，控制芯片N3的Comp脚还依次通过串联的电阻R18、电容C12与Input+脚连接，控制芯片N3的Input+脚通过电阻R17接地，Input+脚还通过依次串联的电阻R15、电容C10、电容C13接地，电容C10和电容C13共连后接入8V反馈电压、且电阻R15与电容C10串联后的两端并接有电阻R14，控制芯片N3的Shutdown脚通过电阻R11接入关断信号，控制芯片N3的Sync脚作为同步信号输入端，与第一路中控制芯片N1的OSC.Output脚相连，使控制芯片N3的Output A和Output B脚输出与控制芯片N1频率相同且互补的脉冲开关信号，控制芯片N3的OSC.Output脚空置；
第三路开关电源包括型号为SG3525的控制芯片N4，控制芯片N4的Input-脚通过相互并联的电阻R26、电容C19接地，控制芯片N4的Input-脚与Vref脚之间连接有相互并联的电阻R22、R23，且Vref脚还输出5V基准电压、通过电容C17接地，控制芯片N4的Vcc、Vc共接后输入15V供电电压，控制芯片N4的Discharge脚依次通过串联的电阻R29和电容C24、RT引脚通过电阻R30、Comp脚通过电容C23分别接地，GND脚直接接地，控制芯片N4的CT脚接入电阻R29与电容C24之间，控制芯片N4的Comp脚还依次通过串联的电阻R28、电容C20与Input+脚连接，控制芯片N4的Input+脚通过电阻R27接地，Input+脚还通过依次串联的电阻R25、电容C18、电容C21接地，电容C18和电容C21共连后接入12V反馈电压、且电阻R25与电容C18串联后的两端并接有电阻R24，控制芯片N4的Shutdown脚通过电阻R21接入关断信号，控制芯片N4的Sync脚作为同步信号输入端，与第一路中控制芯片N1的OSC.Output脚相连，使控制芯片N4的Output A和Output B脚输出与控制芯片N1频率相同且互补的脉冲开关信号，控制芯片N4的OSC.Output脚空置；
一种程控直流电源同步扩频方法，其特征在于：令主频率开关电源产生一个高次振荡的同步信号，以主频率开关电源产生的同步信号的开关频率作为主频率，其他两路开关电源各自产生低于主频率的开关频率，主频率开关电源的同步信号输出至其他两路开关电源的控制芯片，由于其他两路开关电源的控制芯片引入的同步信号主频率大于它们各自控制芯片产生的开关频率，其他两路开关电源的控制芯片输出的开关频率将紧随主频率的变化而变化，实现同步。
本发明采用同步技术，利用PWM芯片的同步功能，以其中一个开关电源产生主频率，然后同步其他电源，这样可以让所有功率管工作在同一频率下，从而使各个开关电源产生的谐波大致在一个窄带范围内，最终只需要一个窄带滤波器就可以滤除由功率管开关状态导致的谐波及噪声。同时，对产生主频率的电源进行扩频处理，从噪声源方面减少电磁干扰，使原本集中在开关频率及其高次谐波的尖峰上的能量展开到更宽的频带上,从而更易通过EMC规范。
扩频技术也称作频率变化技术，是指通过某种调制方式使开关变换器的频率可变。这样，开关电源就工作在较宽的频率范围内，频谱可以由原来的窄带谐波扩展到更宽的频率范围，通过第一路电源控制电路中运放N2和三极管V1实现。运放N2的1脚，3脚和三极管V1的基极相连，三极管V1的集电极与控制芯片N1的RT脚连接，三极管V1的发射极与电阻R10连接，调整信号与运放N2的2脚相连接，从而改变三极管V1的等效电阻，最终达到调节控制芯片N1的定时电阻大小，完成对频率的改变。
附图说明
图1为本发明第一路开关电源控制电路及扩频电路图。
图2为本发明第二路开关电源控制电路图。
图3为本发明第三路开关电源控制电路图。
图4为本发明具体实施方式中时域时钟波形及扩频后波形图。
图5为本发明具体实施方式中时钟基频及扩频后的频谱图。
具体实施方式
应用于程控直流电源的同步扩频电路包括有三路开关电源，其中：
如图1所示，第一路开关电源包括运算放大器N2、三极管V1、型号为SG3525的控制芯片N1，运算放大器N2的反相输入端与运算放大器N2输出端连接，运算放大器N2的同相输入端连接调整信号，运算放大器N2的输出端与三极管V1的基极相连，三极管V1的发射极通过电阻R10接地，三极管V1的集电极与控制芯片N1的RT引脚连接，控制芯片N1的Input-脚通过相互并联的电阻R6、电容C3接地，控制芯片N1的Input-脚与Vref脚之间连接有相互并联的电阻R2、R3，且Vref脚还输出5V基准电压、通过电容C1接地，控制芯片N1的Vcc、Vc共接后输入15V供电电压，控制芯片N1的Discharge脚依次通过串联的电阻R9和电容C8、Soft-Start脚通过电容C6、Comp脚通过电容C7分别接地，GND脚直接接地，控制芯片N1的CT脚接入电阻R9与电容C8之间，控制芯片N1的Comp脚还依次通过串联的电阻R8、电容C4与Input+脚连接，控制芯片N1的Input+脚通过电阻R7接地，Input+脚还通过依次串联的电阻R5、电容C2、电容C5接地，电容C2和电容C5共连后接入5V反馈电压、且电阻R5与电容C2串联后的两端并接有电阻R4，，控制芯片N1的Shutdown脚通过电阻R1接入关断信号，控制芯片N1的OSC.Output脚产生控制芯片N3和N4同步信号，控制芯片N1的Output A和Output B脚是互补的脉冲开关信号，作为第一路开关电源中开关器件的控制输出端；
如图2所示。第二路开关电源包括型号为SG3525的控制芯片N3，控制芯片N3的Input-脚通过相互并联的电阻R16、电容C11接地，控制芯片N3的Input-脚与Vref脚之间连接有相互并联的电阻R12、R13，且Vref脚还输出5V基准电压、通过电容C9接地，控制芯片N3的Vcc、Vc共接后输入15V供电电压，控制芯片N3的Discharge脚依次通过串联的电阻R19和电容C16、RT引脚通过电阻R20、Comp脚通过电容C15分别接地，GND脚直接接地，控制芯片N3的CT脚接入电阻R19与电容C16之间，控制芯片N3的Comp脚还依次通过串联的电阻R18、电容C12与Input+脚连接，控制芯片N3的Input+脚通过电阻R17接地，Input+脚还通过依次串联的电阻R15、电容C10、电容C13接地，电容C10和电容C13共连后接入8V反馈电压、且电阻R15与电容C10串联后的两端并接有电阻R14，控制芯片N3的Shutdown脚通过电阻R11接入关断信号，控制芯片N3的Sync脚作为同步信号输入端，与第一路中控制芯片N1的OSC.Output脚相连，使控制芯片N3的Output A和Output B脚输出与控制芯片N1频率相同且互补的脉冲开关信号，控制芯片N3的OSC.Output脚空置；
如图3所示。第二路开关电源包括型号为SG3525的控制芯片N4，控制芯片N4的Input-脚通过相互并联的电阻R26、电容C19接地，控制芯片N4的Input-脚与Vref脚之间连接有相互并联的电阻R22、R23，且Vref脚还输出5V基准电压、通过电容C17接地，控制芯片N4的Vcc、Vc共接后输入15V供电电压，控制芯片N4的Discharge脚依次通过串联的电阻R29和电容C24、RT引脚通过电阻R30、Comp脚通过电容C23分别接地，GND脚直接接地，控制芯片N4的CT脚接入电阻R29与电容C24之间，控制芯片N4的Comp脚还依次通过串联的电阻R28、电容C20与Input+脚连接，控制芯片N4的Input+脚通过电阻R27接地，Input+脚还通过依次串联的电阻R25、电容C18、电容C21接地，电容C18和电容C21共连后接入12V反馈电压、且电阻R25与电容C18串联后的两端并接有电阻R24，控制芯片N4的Shutdown脚通过电阻R21接入关断信号，控制芯片N4的Sync脚作为同步信号输入端，与第一路中控制芯片N1的OSC.Output脚相连，使控制芯片N4的Output A和Output B脚输出与控制芯片N1频率相同且互补的脉冲开关信号，控制芯片N4的OSC.Output脚空置；
一种程控直流电源同步扩频方法，令主频率开关电源产生一个高次振荡的同步信号，以主频率开关电源产生的同步信号的开关频率作为主频率，其他两路开关电源各自产生低于主频率的开关频率，主频率开关电源的同步信号输出至其他两路开关电源的控制芯片，由于其他两路开关电源的控制芯片引入的同步信号主频率大于它们各自控制芯片产生的开关频率，其他两路开关电源的控制芯片输出的开关频率将紧随主频率的变化而变化，实现同步。
本发明中，扩频技术基本理论如下：
在连续载波中，未调制载波的表达式为：
C(t)＝Acos(ωct+φ) (1)
其中ωc为角频率，φ为初始相位，A为常数。
如果A不变，角频率偏移为：
Δω＝KFM (2)
式中：KFM称为频偏常数。
故调频信号可表示为：
SFM(t)＝Acos(∫ωcdt)＝Acos[ωct+KFM] (3)
若为三角波函数，就是三角波调制；若为正弦波函数，就是正弦波调制；若为随机函数，就是随机调制。
扩频技术也称作频率变化技术，是指通过某种调制方式使开关变换器的频率可变。这样，开关电源就工作在较宽的频率范围内，频谱可以由原来的窄带谐波扩展到更宽的频率范围，如图1所示，通过第一路电源控制电路中运放N2和三极管V1实现。运放N2的1脚，3脚和三极管V1的基极相连，三极管V1的集电极与控制芯片N1的RT脚连接，三极管V1的发射极与电阻R10连接，调整信号与运放N2的2脚相连接，通过调整三极管的电流来改变三极管V1的等效电阻，最终达到调节控制芯片N1的定时电阻大小，完成对频率的改变。
在图1-图3中包含三个开关电源控制芯片，其中N1产生主频，N3，N4为被同步芯片，分别控制着三组开关电源的功率管。N1生成的PWM控制脉冲频率f为
f＝1/[C8(0.7R10+3R9)] (4)
式中:C8为SG3525上CT脚与地之间的定时电容；R10为三极管V1发射极与地之间的电阻与三极管相连构成SG3525上RT脚上等效定时电阻；R9为CT脚和Discharge脚之间的连接电阻。在图1中采用三极管和电阻串联方式来等价SG3525的RT脚定时电阻，可调节三极管的基极电压Ub来改变三极管集电极上的电流大小,实际上就等效于改变RT的大小,这样就可调控SG3525输出的PWM脉冲频率，从而实现开关电源的扩频。
对于一个周期信号尤其是方波来说，其能量主要分布在基频信号和谐波分量中，谐波能量随频率的增加呈级数降低。由于n次谐波的带宽是基频带宽的n倍，通过扩频技术将谐波能量分布在一个更宽的频率范围上。由于基频和各次谐波能量减少，其发射强度也应该相应降低。图4显示一个时钟信号进行扩频前后的波形，图5是该时钟扩频前后发射强度频谱，从图中可以看到，信号频谱发生扩散，其发射强度得到降低。
Claims (2)
1.应用于程控直流电源的同步扩频电路，其特征在于：包括有三路开关电源，其中：
第一路开关电源包括运算放大器N2、三极管V1、型号为SG3525的控制芯片N1，运算放大器N2的反相输入端与运算放大器N2输出端连接，运算放大器N2的同相输入端连接调整信号，运算放大器N2的输出端与三极管V1的基极相连，三极管V1的发射极通过电阻R10接地，三极管V1的集电极与控制芯片N1的RT引脚连接，控制芯片N1的Input-脚通过相互并联的电阻R6、电容C3接地，控制芯片N1的Input-脚与Vref脚之间连接有相互并联的电阻R2、R3，且Vref脚还输出5V基准电压、通过电容C1接地，控制芯片N1的Vcc、Vc共连后输入15V供电电压，控制芯片N1的Discharge脚依次通过串联的电阻R9和电容C8、Soft-Start脚通过电容C6、Comp脚通过电容C7分别接地，GND脚直接接地，控制芯片N1的CT脚接入电阻R9与电容C8之间，控制芯片N1的Comp脚还依次通过串联的电阻R8、电容C4与Input+脚连接，控制芯片N1的Input+脚通过电阻R7接地，Input+脚还通过依次串联的电阻R5、电容C2、电容C5接地，电容C2和电容C5共连后接入5V反馈电压、且电阻R5与电容C2串联后的两端并接有电阻R4，控制芯片N1的Shutdown脚通过电阻R1接入关断信号，控制芯片N1的输出端OSC.Output脚产生控制芯片N3和N4的同步信号，控制芯片N1的Output A和Output B脚是互补的脉冲开关信号，作为第一路开关电源中开关器件的控制输出端；
第二路开关电源包括型号为SG3525的控制芯片N3，控制芯片N3的Input-脚通过相互并联的电阻R16、电容C11接地，控制芯片N3的Input-脚与Vref脚之间连接有相互并联的电阻R12、R13，且Vref脚还输出5V基准电压、通过电容C9接地，控制芯片N3的Vcc、Vc共接后输入15V供电电压，控制芯片N3的Discharge脚依次通过串联的电阻R19和电容C16、RT引脚通过电阻R20、Comp脚通过电容C15分别接地，GND脚直接接地，控制芯片N3的CT脚接入电阻R19与电容C16之间，控制芯片N3的Comp脚还依次通过串联的电阻R18、电容C12与Input+脚连接，控制芯片N3的Input+脚通过电阻R17接地，Input+脚还通过依次串联的电阻R15、电容C10、电容C13接地，电容C10和电容C13共连后接入8V反馈电压、且电阻R15与电容C10串联后的两端并接有电阻R14，控制芯片N3的Shutdown脚通过电阻R11接入关断信号，控制芯片N3的Sync脚作为同步信号输入端，与第一路中控制芯片N1的OSC.Output脚相连，使控制芯片N3的Output A和Output B脚输出与控制芯片N1频率相同且互补的脉冲开关信号，控制芯片N3的OSC.Output脚空置；
第三路开关电源包括型号为SG3525的控制芯片N4，控制芯片N4的Input-脚通过相互并联的电阻R26、电容C19接地，控制芯片N4的Input-脚与Vref脚之间连接有相互并联的电阻R22、R23，且Vref脚还输出5V基准电压、通过电容C17接地，控制芯片N4的Vcc、Vc共接后输入15V供电电压，控制芯片N4的Discharge脚依次通过串联的电阻R29和电容C24、RT引脚通过电阻R30、Comp脚通过电容C23分别接地，GND脚直接接地，控制芯片N4的CT脚接入电阻R29与电容C24之间，控制芯片N4的Comp脚还依次通过串联的电阻R28、电容C20与Input+脚连接，控制芯片N4的Input+脚通过电阻R27接地，Input+脚还通过依次串联的电阻R25、电容C18、电容C21接地，电容C18和电容C21共连后接入12V反馈电压、且电阻R25与电容C18串联后的两端并接有电阻R24，控制芯片N4的Shutdown脚通过电阻R21接入关断信号，控制芯片N4的Sync脚作为同步信号输入端，与第一路中控制芯片N1的OSC.Output脚相连，使控制芯片N4的Output A和Output B脚输出与控制芯片N1频率相同且互补的脉冲开关信号，控制芯片N4的OSC.Output脚空置。
2.一种基于权利要求1所述电路的程控直流电源同步扩频方法，其特征在于：令第一路开关电源产生一个高次振荡的同步信号，以第一路开关电源产生的同步信号的开关频率作为主频率，其他两路开关电源各自产生低于主频率的开关频率，第一路开关电源的同步信号输出至其他两路开关电源控制芯片的同步端，由于其他两路开关电源的控制芯片引入的同步信号主频率大于它们各自控制芯片产生的开关频率，因此，其他两路开关电源的控制芯片输出的开关频率将紧随主频率的变化而变化，实现同步；扩频技术也称作频率变化技术，是指通过某种调制方式使开关变换器的频率可变，这样，开关电源就工作在较宽的频率范围内，频谱由原来的窄带谐波扩展到更宽的频率范围；通过第一路电源控制电路中运放N2和三极管V1实现，运放N2的反相输入端，输出端和三极管V1的基极相连，三极管V1的集电极与控制芯片N1的RT脚连接，三极管V1的发射极与电阻R10连接，调整信号与运放N2的同相输入端相连接，调整信号使三极管电流发生改变，从而改变三极管V1的等效电阻，最终达到调节控制芯片N1的定时电阻大小，完成对频率的改变达到频率扩展目的。
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