CN105099163B - 一种改善emi和开关杂讯的电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改善EMI和开关杂讯的电路及方法，电路包括门驱动控制器；受门驱动控制器输出信号控制调整充、放电电流的充电电流比例化电路和放电电流比例化电路；以及受充、放电电流比例化电路输出电流控制，实现开关功能的功率管。方法包括：利用门驱动控制器控制充电电流比例化电路和放电电流比例化电路的充、放电电流，使输出电流呈现“启动快，到点慢”的特性，继而改善输出信号中的过充、过放脉冲。本发明通过控制功率管门电压的充、放电电流来修整门电压，使门电压波形被修整为启动快、到点慢的类方波形状，在不影响系统效率、不带来开关损耗的基础上调整输出信号中的过充脉冲和过放脉冲，进而改善EMI和开关杂讯，提升电源电路的性能。

Description

一种改善EMI和开关杂讯的电路及方法

技术领域

本发明涉及电源电路设计领域，特别是涉及一种改善EMI和开关杂讯的电路及方法。

背景技术

集成电路发展至今，其内部结构越来越复杂，而且各模块的工作电压不一致，所以必须要运用内部的电源电路将外部电源电压转换为适用于各模块的工作电压，电源电路需要满足输出电压稳定、纹波小等要求，作为集成电路中不可或缺的一部分，电源电路的设计也越来越复杂，对其性能要求也越来越高。

开关电源是目前运用比较多的电源电路，开关电源电路中利用功率管作为开关，通过控制功率管导通和截止的时间比率来维持稳定的输出电压。理想的二极管在承受反向电压时截止，不会有反向电流通过，而实际二极管正向导通时，PN结内的电荷被积累，当二极管承受反向电压时，PN结内积累的电荷将释放并形成一个反向恢复电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。功率管的反向恢复特性将产生较强烈的高频衰减振荡，该振荡包括过充脉冲和过放脉冲，控制功率管导通和截止的门驱动控制器的电流越强，开关的切换速度越快，而开关切换速度越快，振荡的幅度越大。开关信号中的高频振荡即为开关杂讯(开关噪声)，会导致电源系统受EMI(Electromagnetic Interference)影响，大大影响电源电路的性能。

如图1所示，现有技术中开关电源电路1包括门驱动控制器11，所述门驱动控制器11产生两组控制信号GDRP及GDRN，控制信号GDRP控制PMOS12给功率管14的栅极充电，控制信号GDRN控制NMOS13给功率管14的栅极放电，通过该充、放电过程产生的所述功率管14的门电压Gate，如图2(a)所示，所述门电压Gate为方波。门电压Gate控制功率管14的导通和截止，由于功率管14的导通特性，功率管的输出信号SW会带有两端波动，分别为过充脉冲和过放脉冲，如图2(b)所示，功率管的输出信号SW的上升沿和下降沿的末端分别有一定幅度的高频振荡。功率管的输出信号SW通过负载15输出稳定的电压作为后续电路的工作电压。

为了确保电源电路的性能，需要电源电路符合EMI规范，EMI规范是对系统能量所产生的频谱进行扫描，对于不同的频带有不同能量大小的限制。功率管的输出信号SW为固定频率的方波信号加上过充脉冲和过放脉冲，由理论可知方波的傅立叶变换高频成份很大，加上过充脉冲和过放脉冲后就会超出EMI规范。所以如果能将过充脉冲和过放脉冲变小那么就可以符合EMI规范，但是直接抑制开关信号中的过充脉冲和过放脉冲，会导致整个电源电路系统的转换效率降低。

为了使电源电路符合EMI规范，现有技术中提出两种改进方案：实现软切换或者减慢切换频率。但是软切换的架构相对比较复杂，而且比较耗电，而减慢切换频率容易造成比较大的开关损耗，导致效率降低。

所以如何在电路结构简单、系统效率不受影响、开关损耗尽量小的前提下优化电源电路，减小功率管的输出信号SW中的过充脉冲和过放脉冲，进而改善电源电路中的EMI和开关杂讯，使电源电路符合EMI规范是电源电路设计领域的技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种改善EMI和开关杂讯的电路及方法，用于解决现有技术中开关杂讯及EMI影响电路性能的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种改善EMI和开关杂讯的电路，所述改善EMI和开关杂讯的电路至少包括：

门驱动控制器，充电电流比例化电路，放电电流比例化电路以及功率管；

所述门驱动控制器用于产生控制所述充电电流比例化电路和所述放电电流比例化电路的两组控制信号；

所述充电电流比例化电路通过所述门驱动控制器产生的控制信号来调节充电电流的总和，以此控制电源端供应电流的能力；

所述放电电流比例化电路通过所述门驱动控制器产生的控制信号来调节放电电流的总和，以此控制接地端汲取电流的能力；

所述充电电流比例化电路与所述放电电流比例化电路连接在一起，并将输出信号连接于所述功率管的栅极，通过所述充电电流比例化电路与所述放电电流比例化电路输出的信号控制所述功率管的导通和关闭。

优选地，所述充电电流比例化电路由1个及以上PMOS并联组成，各所述PMOS的栅端分别连接于所述门驱动控制器输出的控制信号。

优选地，所述放电电流比例化电路由1个及以上NMOS并联组成，各所述NMOS的栅端分别连接于所述门驱动控制器输出的控制信号。

优选地，所述功率管为NMOS或PMOS。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种改善EMI和开关杂讯的方法，所述改善EMI和开关杂讯的方法至少包括：

步骤一：利用门驱动控制器程序化充、放电电流比例；

步骤二：利用充电电流比例化电路控制所述功率管的门电压上升沿的充电斜率，改善所述功率管输出的开关信号的正源过充脉冲，同时降低正源激发的EMI能量；

步骤三：利用放电电流比例化电路控制所述功率管的门电压下降沿的放电斜率，改善所述功率管输出的开关信号的负源过放脉冲，同时降低负源激发的EMI能量。

优选地，步骤一中利用门驱动控制器动态设定充、放电电流比例。

优选地，步骤二中所述门电压上升沿的变化速度由快减缓至适合的速度。

优选地，步骤三中所述门电压下降沿的变化速度由快减缓至适合的速度。

如上所述，本发明的改善EMI和开关杂讯的电路及方法，具有以下有益效果：

本发明的改善EMI和开关杂讯的电路及方法通过控制功率管门电压的充、放电电流来修整门电压，使门电压波形被修整为启动快，到点慢的类方波形状，在不影响系统效率、不带来开关损耗的基础上调整输出信号中的过充脉冲和过放脉冲，进而改善EMI和开关杂讯(开关噪声)，提升电源电路的性能。

附图说明

图1显示为现有技术中的开关电源电路示意图。

图2(a)显示为现有技术中的开关电源电路中门电压Gate波形示意图

图2(b)显示为现有技术中的开关电源电路中功率管的输出信号SW的波形示意图。

图3显示为本发明的改善EMI和开关杂讯的电路示意图。

图4(a)显示为本发明的改善EMI和开关杂讯的电路中门电压Gate的波形示意图。

图4(b)显示为本发明的改善EMI和开关杂讯的电路中功率管的输出信号SW的波形示意图。

图5～图8(b)显示为本发明的改善EMI和开关杂讯的电路的原理示意图。

元件标号说明

1 开关电源电路

11 门驱动控制器

12 PMOS

13 NMOS

14 功率管

15 负载

2 改善EMI和开关杂讯的电路

21 门驱动控制器

22 充电电流比例化电路

23 放电电流比例化电路

24 功率管

25 负载

26 NMOS

27 PMOS

Gate 门电压

SW 功率管的输出信号

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3～图8(b)。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图3所示，本发明提供一种改善EMI和开关杂讯(开关噪声)的电路2，所述改善EMI和开关杂讯的电路2至少包括：

门驱动控制器21，充电电流比例化电路22，放电电流比例化电路23以及功率管24。

所述门驱动控制器21产生两组控制信号，分别连接至所述充电电流比例化电路22及放电电流比例化电路23的输入端，用于控制充、放电电流的总和。

如图3所示，所述门驱动控制器21输出的控制信号GDRC为一组总线，连接至所述充电电流比例化电路22的控制端，用于控制所述充电电流比例化电路22充电电流的总和；所述门驱动控制器21输出的控制信号GDRD为一组总线，连接至所述放电电流比例化电路23的控制端，用于控制所述放电电流比例化电路23放电电流的总和。

如图3所示，所述充电电流比例化电路22连接于所述门驱动控制器21的输出端，通过所述门驱动控制器21产生的控制信号GDRC来调节充电电流的总和，以此控制电源端供应电流的能力。

所述充电电流比例化电路22的电路结构多样，在本实施例中，所述充电电流比例化电路22由1个及以上PMOS并联组成，各所述PMOS的栅端分别连接于所述门驱动控制器21输出的控制信号GDRC。各所述PMOS的尺寸可以相同也可以不相同，可通过导通不同的PMOS组合以实现充电电流比例的变化。而电流的比例可以呈线性上升、倍数上升、指数上升，还可以呈RC充放电指数上升。电流比例的上升方式及电路的复杂程度可根据具体应用做相应选择。在本实施例中，所述充电电流比例化电路22由5个尺寸呈2倍关系的PMOS并联组成，电流比例呈0.1x—0.2x—0.4x—0.8x—1x的倍数上升。

如图3所示，所述放电电流比例化电路23连接于所述门驱动控制器21的输出端，通过所述门驱动控制器21产生的控制信号GDRD来调节放电电流的总和，以此控制接地端汲取电流的能力。

所述放电电流比例化电路23的电路结构多样，在本实施例中，所述放电电流比例化电路23由1个及以上NMOS并联组成，各所述NMOS的栅端分别连接于所述门驱动控制器21输出的控制信号GDRD。各所述NMOS的尺寸可以相同也可以不相同，可通过导通不同的NMOS组合以实现充电电流比例的变化。而电流的比例可以呈线性上升、倍数上升、指数上升，还可以呈RC充放电指数上升。电流比例的上升方式及电路的复杂程度可根据具体应用做相应选择。在本实施例中，所述放电电流比例化电路23由5个尺寸呈2倍关系的NMOS并联组成，电流比例呈0.1x—0.2x—0.4x—0.8x—1x的倍数上升。

所述充电电流比例化电路22与所述放电电流比例化电路23连接在一起，并将输出信号连接于所述功率管24的栅极，通过所述充电电流比例化电路22与所述放电电流比例化电路23输出的信号控制所述功率管24的导通和关闭。

如图3所示，所述充电电流比例化电路22与所述放电电流比例化电路23通过多根导线连接在一起，所述导线代表着电流能力，各导线可代表相同的电流能力，也可以代表不同的电流能力，其连接点输出的电流代表着总电流能力。在本实施例中，所述导线代表不同的电流能力，以此可以简化电路设计。

所述充电电流比例化电路22与所述放电电流比例化电路23连接在一起后输出信号连接至所述功率管24的栅极，所述输出信号为控制所述功率管24导通和截止的门电压Gate。

所述功率管24的栅极连接于所述充电电流比例化22与所述放电电流比例化电路23的输出端，所述功率管24可以是NMOS也可以是PMOS，可以是高边(Highside)功率管也可以是低边(Lowside)功率管。如图3所示，在本实施例中，所述功率管24为高边(Highside)NMOS管。通过门电压Gate的控制来改变所述功率管24的导通和截止，并输出信号SW。

所述负载25连接于所述放电电流比例化电路23及所述功率管24，用于将电流转化为电压输出。

所述负载25为电感、电阻及电容的一种或组合。如图3所示，功率管24的输出信号SW输入至所述负载25，通过所述功率管24的输出信号SW控制输出电压，使其稳定在某一设定值上。

本发明提供一种改善EMI和开关杂讯的方法，所述改善EMI和开关杂讯的方法至少包括：

步骤一：利用门驱动控制器21程序化充、放电电流比例。

如图3所示，对所述门驱动控制器21进行编译，使其输出两组总线，其中，控制信号GDRC用于调整所述充电电流比例化电路22中输出电流的充电速度，控制信号GDRD用于调整所述放电电流比例化电路23中输出电流的放电速度。

利用门驱动控制器21动态设定充、放电电流比例，电流能力的动态改变可有效调控过充脉冲和过放脉冲，达到有效降低EMI能量。

步骤二：利用充电电流比例化电路22控制电源端供应电流的能力，进而调整所述功率管24的门电压Gate上升沿的斜率，改善所述功率管24的输出信号SW的正源过充脉冲，同时降低正源激发的EMI能量。

为了便于说明工作原理，如图5所示，将图1所示现有技术中用于充电的PMOS12替换为本发明中的所述充电电流比例化电路22。通过所述门驱动控制器21输出的控制信号GDRC调整输出的门电压Gate上升沿的斜率，使门电压Gate充电速度由快减缓至合适的速度，如图6(a)所示，门电压Gate的上升沿从垂线调整为具有一定斜率的曲线，充电速度在启动时比较快，接近最大值时充电速度减缓。由于控制放电的电路结构没有替换，如图6(a)所示的门电压Gate的下降沿仍为垂线。以这样的门电压Gate控制所述功率管24，功率管24的输出信号SW的波形如图6(b)所示，功率管24的输出信号SW的过充脉冲的振幅明显减小，过充脉冲得到改善，进而降低了正源激发的EMI能量。

步骤三：利用放电电流比例化电路23控制所述功率管24的门电压Gate下降沿的放电斜率，改善所述功率管24的输出信号SW的负源过放脉冲，同时降低负源激发的EMI能量。

为了便于说明工作原理，如图7所示，将图1所示现有技术中用于放电的NMOS13替换为本发明中的所述放电电流比例化电路23。通过所述门驱动控制器21输出的控制信号GDRD调整输出的门电压Gate下降沿的斜率，使门电压Gate放电速度由快减缓至合适速度，如图8(a)所示，门电压Gate的下降沿从垂线调整为具有一定斜率的曲线，放电速度在启动时比较快，接近最小值时放电速度减缓。由于控制充电的电路结构没有替换，如图8(a)所示的门电压Gate的上升沿仍为垂线。以这样的门电压Gate控制所述功率管24，功率管24的输出信号SW的波形如图8(b)所示，功率管24的输出信号SW的过放脉冲的振幅明显减小，过放脉冲得到改善，进而降低了负源激发的EMI能量。

如图4(a)所示，最终得到的门电压Gate的波形为经过修整的方波，其上升沿为具有一定斜率的曲线，且上升起始位置的变化速度快，上升结束位置处的变化速度减缓至合适速度；其下降沿也修整为具有一定斜率的曲线，且下降起始位置的变化速度快，下降结束位置处的变化速度慢；门电压Gate具有“启动快，到点慢”的特点。如图4(b)所示，最终输出的信号SW的波形中正源过充脉冲和负源过放脉冲都得到明显的改善，开关杂讯(开关噪声)减小，EMI能量也大大减小。

综上所述，本发明的改善EMI和开关杂讯的电路及方法在不影响整体系统转换效率的基础上，通过控制功率管门电压的充、放电电流来修整门电压，使门电压波形被修整为启动快，到点慢的类方波形状，在不影响系统效率、不带来开关损耗的基础上调整输出信号中的过充脉冲和过放脉冲，进而改善EMI和开关杂讯，提升电源电路的性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种改善EMI和开关杂讯的电路，其特征在于，所述改善EMI和开关杂讯的电路至少包括：

门驱动控制器，充电电流比例化电路，放电电流比例化电路以及功率管；

所述门驱动控制器用于产生控制所述充电电流比例化电路和所述放电电流比例化电路的两组控制信号；

所述充电电流比例化电路通过所述门驱动控制器产生的控制信号来调节充电电流的总和，以此控制电源端供应电流的能力；

所述放电电流比例化电路通过所述门驱动控制器产生的控制信号来调节放电电流的总和，以此控制接地端汲取电流的能力；

所述充电电流比例化电路与所述放电电流比例化电路连接在一起，并将输出信号连接于所述功率管的栅极，通过所述充电电流比例化电路与所述放电电流比例化电路输出的信号控制所述功率管的导通和关闭。

2.根据权利要求1所述的改善EMI和开关杂讯的电路，其特征在于：所述充电电流比例化电路由1个及以上PMOS并联组成，各所述PMOS的栅端分别连接于所述门驱动控制器输出的控制信号。

3.根据权利要求1所述的改善EMI和开关杂讯的电路，其特征在于：所述放电电流比例化电路由1个及以上NMOS并联组成，各所述NMOS的栅端分别连接于所述门驱动控制器输出的控制信号。

4.根据权利要求1所述的改善EMI和开关杂讯的电路，其特征在于：所述功率管为NMOS或PMOS。

5.一种改善EMI和开关杂讯的方法，其特征在于，所述改善EMI和开关杂讯的方法至少包括：

步骤一：利用门驱动控制器程序化充、放电电流比例；

步骤二：利用充电电流比例化电路控制功率管的门电压上升沿的充电斜率，改善所述功率管输出的开关信号的正源过充脉冲，同时降低正源激发的EMI能量；

步骤三：利用放电电流比例化电路控制所述功率管的门电压下降沿的放电斜率，改善所述功率管输出的开关信号的负源过放脉冲，同时降低负源激发的EMI能量。

6.根据权利要求5所述的改善EMI和开关杂讯的方法，其特征在于：步骤一中利用门驱动控制器动态设定充、放电电流比例。

7.根据权利要求5所述的改善EMI和开关杂讯的方法，其特征在于：步骤二中所述门电压上升沿的变化速度由快减缓至适合的速度。

8.根据权利要求5所述的改善EMI和开关杂讯的方法，其特征在于：步骤三中所述门电压下降沿的变化速度由快减缓至适合的速度。