CN105281558B - 一种减小开关电源芯片的电磁干扰系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子领域，具体说是一种减小开关电源芯片的电磁干扰的系统，包括电压调节器、复位电路、偏置电压产生模块和振荡器模块，所述的电压调节模块分别与偏置电压产生模块和振荡器模块相连，偏置电压产生模块与振荡器相连，复位电路与振荡器模块相连。本发明的减小开关电源芯片的电磁干扰的系统，不仅能在源头抑制传导干扰，而且大大地减小了EMI滤波部件尺寸，减少了抑制辐射EMI的屏蔽材料。

Description

一种减小开关电源芯片的电磁干扰系统
技术领域
本发明属于电力电子领域，具体说是一种减小开关电源芯片的电磁干扰的系统。
背景技术
电磁干扰会影响各种电器设备的正常工作，会干扰通信数据的正常传递，虽然对人体的伤害尚无定论，但是普遍认为对人体不利。开关电源工作在高的开关频率，采用高的开关频率可以减小磁器件尺寸，但相关的方形脉冲含有丰富的高频成分，会增强由电源结构的交互作用和有源器件产生的电磁干扰(EMI)频谱，使得开关电源质量受到影响和EMI噪声的增加，因此开关电源已经成为干扰电磁环境的主要因素。随着通讯及控制技术的发展各种高频数字电路对开关电源电磁兼容性(EMC)的要求更加严格，如何减小电磁干扰(EMI)成为开关电源设计中的一个难点。开关电源骚扰源的产生都是由于开关管在快速开关过程中存在大的di/dt和dv/dt的缘故，而且骚扰源辐射的能量只集中在开关频率及其谐波频率上，使得开关电源很难满足EMI标准。
发明内容
本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种能有效减小开关电源芯片的电磁干扰的系统，用以降低和基频的各次谐波相关的电磁干扰的幅度，分散谐波干扰能量，从而减小开关电源自身的EMI。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种减小开关电源芯片的电磁干扰系统，包括电压调节器、复位电路、偏置电压产生模块和振荡器模块，所述的电压调节模块分别与偏置电压产生模块和振荡器模块相连，偏置电压产生模块与振荡器相连，复位电路与振荡器模块相连。
进一步地，所述的电压调节电路包括参考电压Vref，电源VCC，运算放大器A1，三极管Q1和Q2，电阻R1和R2，所述的运算放大器的输入分别连接到参考电压和电阻R1与电阻R2之间的电压点，所述运算放大器的输出连接到三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极连接到三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极串接电阻R1和R2后接地，三极管Q1和Q2的集电极连接到电源VCC。
进一步地，所述的偏置电压产生模块包括电源VCC，P沟道MOS管Mb1、Mb2、Mb5、Mb6和Mb7，N沟道MOS管Mb3和Mb4，MOS管Mb1的源极连接到电源VCC，MOS管Mb1的漏极和栅极相连并连接到MOS管Mb2的源极，MOS管Mb2的漏极和栅极相连，MOS管Mb2的漏极和栅极的公共端并接到MOS管Mb3的漏极和栅极，MOS管Mb3的源极接地，MOS管Mb7的漏极和栅极相连并连接到MOS管Mb6的源极，MOS管Mb6的漏极和栅极相连并连接到MOS管Mb5的源极，MOS管Mb5的漏极和栅极相连并连接到MOS管Mb4的漏极，MOS管Mb4的栅极并接到MOS管Mb3的栅极和漏极，MOS管Mb4的源极接地。
进一步地，所述电压调节模块的三极管Q2和电阻R1的公共端连接到偏置电压产生模块的MOS管Mb7的源极，三极管Q2、电阻R1和MOS管Mb7的源极的公共端连接到振荡电路，偏置电压产生模块的MOS管Mb7的栅极和源极的公共端连接到振荡器模块，所述振荡器模块外接电源V1和V2。
本发明的减小开关电源芯片的电磁干扰的系统，把开关电源的开关频率调制在很窄的频率内，以降低和基频的各次谐波相关的电磁干扰的幅度，分散谐波干扰能量，从而减小开关电源自身的EMI。不仅能在源头抑制传导干扰，而且大大地减小了EMI滤波部件尺寸，减少了抑制辐射EMI的屏蔽材料(由于在任何给定谐波的能量密度能保持很小)。
附图说明
图1为本发明的模块结构示意图；
图2为本发明的减小开关电源的电磁干扰的电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的内容作进一步叙述。
一种减小开关电源芯片的电磁干扰系统，包括电压调节器、复位电路、偏置电压产生模块和振荡器模块，所述的电压调节模块分别与偏置电压产生模块和振荡器模块相连，偏置电压产生模块与振荡器相连，复位电路与振荡器模块相连。
所述的电压调节电路包括参考电压Vref，电源VCC，运算放大器A1，三极管Q1和Q2，电阻R1和R2，所述的运算放大器的输入分别连接到参考电压和电阻R1与电阻R2之间的电压点，所述运算放大器的输出连接到三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极连接到三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极串接电阻R1和R2后接地，三极管Q1和Q2的集电极连接到电源VCC。
所述的偏置电压产生模块包括电源VCC，P沟道MOS管Mb1、Mb2、Mb5、Mb6和Mb7，N沟道MOS管Mb3和Mb4，MOS管Mb1的源极连接到电源VCC，MOS管Mb1的漏极和栅极相连并连接到MOS管Mb2的源极，MOS管Mb2的漏极和栅极相连，MOS管Mb2的漏极和栅极的公共端并接到MOS管Mb3的漏极和栅极，MOS管Mb3的源极接地，MOS管Mb7的漏极和栅极相连并连接到MOS管Mb6的源极，MOS管Mb6的漏极和栅极相连并连接到MOS管Mb5的源极，MOS管Mb5的漏极和栅极相连并连接到MOS管Mb4的漏极，MOS管Mb4的栅极并接到MOS管Mb3的栅极和漏极，MOS管Mb4的源极接地。
所述电压调节模块的三极管Q2和电阻R1的公共端连接到偏置电压产生模块的MOS管Mb7的源极，三极管Q2、电阻R1和MOS管Mb7的源极的公共端连接到振荡电路，偏置电压产生模块的MOS管Mb7的栅极和源极的公共端连接到振荡器模块，所述振荡器模块外接电源V1和V2。
由于整个芯片的供电电压是外接电容上的电压Vcc，在正常的工作状态下，Vcc上的电压是周期性的锯齿波。为了实现频率抖动，用Vcc的电压作为频率调制信号来调制振荡器的频率即开关频率，达到频率抖动的目的。
其中Vl＝2.45V，V2＝4V。振荡器的偏置电压产生电路由Mb1～Mb7构成，与电压调节器模块一起实现了对振荡器进行频率调制的功能。
Vcc为锯齿波形电压，它加在三极管Q1和三极管Q2的集电极端。电压调节模块是简单的模拟电路，通过运算放大器的比较放大作用，将加在两个三极管Q1和Q2的集电极端的Vcc适当的放大,通过Q2的发射极，输出Vr。用Vcc的电压作为频率调制信号来调制振荡器的频率即开关频率，达到频率抖动的目的。频率抖动是基于调频技术提出的，调制信号越大时，调频波的频率越高；调制信号越小时，调频波的频率越低。通过调制开关频率，产生边频，从而增宽辐射的频谱，一些能量就被分散在边频上，使得所得的辐射频谱很容易满足EMI规范。通过调制产生了边带谐波，把开关频率的谐波能量分散在各自的边频谐波上，使得频率向fc的幅值比调制前减少很多。虽然临近的两个边频谐波的频率相差fm，但开关频率的每一个谐波的调制指数mfn(mf＝△f/fm)不同(n为开关频率未调制脉冲串的谐波次数)。波次数越大，带宽就越大，展开的能量越均匀，越容易满足EMI的规定。
设Ql和Q2组成的达林顿放大器的跨导为gmQ，动态电阻为ro，运放A1的增益为Av，则电压调节器模块中从Vcc看进去的等效电阻R近似为
R≈(Av*R2+R1+R2)ro*gmQ (1)因
此ΔVr＝ΔVcc*(R1+R2)/R＝K1*ΔVcc (2)
其中K1＝(R1+R2)/gmQ*ro*(Av*R2+R1+R2)
ΔIMb3＝K2*ΔVr (3)
设Mb3与Mb4的宽长比为K3，则
ΔIMb4＝ΔIMb7＝(K1*K2/K3)*ΔVcc (4)
设M2与Mb7的宽长比为K4,所以
Δi1＝K4*ΔIMb7＝(K1*K2*K4/K3)*ΔVcc (5)
得出Δi1＝K5*Δω (7)
其中Vl＝2.45V，V2＝4V,D为振荡器输出脉冲的占空比。
最后得到
经推算可得调制所得波的角频率ω的变化与Vcc的变化成正比。由于△Vcc的波形是周期性的锯齿波，从而△ω的波形也是周期性的锯齿波。可见本发明设计的电路可以实现对振荡器频率的调制功能。并且通过实验验证，可知利用频率抖动可显著减小噪声干扰，并且噪声谐波次数愈高，抑制能力愈明显。

Claims (3)

1.一种减小开关电源芯片的电磁干扰系统，其特征在于：包括电压调节器、复位电路、偏置电压产生模块和振荡器模块，所述的电压调节模块分别与偏置电压产生模块和振荡器模块相连，偏置电压产生模块与振荡器相连，复位电路与振荡器模块相连；所述的电压调节电路包括参考电压Vref，电源VCC，运算放大器A1，三极管Q1和Q2，电阻R1和R2，所述的运算放大器的输入分别连接到参考电压和电阻R1与电阻R2之间的电压点，所述运算放大器的输出连接到三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极连接到三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极串接电阻R1和R2后接地，三极管Q1和Q2的集电极连接到电源VCC。
2.根据权利要求1所述的减小开关电源芯片的电磁干扰系统，其特征在于：所述的偏置电压产生模块包括电源VCC，P沟道MOS管Mb1、Mb2、Mb5、Mb6和Mb7，N沟道MOS管Mb3和Mb4，MOS管Mb1的源极连接到电源VCC，MOS管Mb1的漏极和栅极相连并连接到MOS管Mb2的源极，MOS管Mb2的漏极和栅极相连，MOS管Mb2的漏极和栅极的公共端并接到MOS管Mb3的漏极和栅极，MOS管Mb3的源极接地，MOS管Mb7的漏极和栅极相连并连接到MOS管Mb6的源极，MOS管Mb6的漏极和栅极相连并连接到MOS管Mb5的源极，MOS管Mb5的漏极和栅极相连并连接到MOS管Mb4的漏极，MOS管Mb4的栅极并接到MOS管Mb3的栅极和漏极，MOS管Mb4的源极接地。
3.根据权利要求2所述的减小开关电源芯片的电磁干扰系统，其特征在于：所述电压调节模块的三极管Q2和电阻R1的公共端连接到偏置电压产生模块的MOS管Mb7的源极，三极管Q2、电阻R1和MOS管Mb7的源极的公共端连接到振荡电路，偏置电压产生模块的MOS管Mb7的栅极和源极的公共端连接到振荡器模块，所述振荡器模块外接电源V1和V2。
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