CN105939104B - 一种通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明创造提供了一种通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路，通过调整PWM工作时脉冲的规律以降低AC‑DC电源电磁干扰、提高瞬时功率的电路，包括信号输入端、信号输出端、供电线、脉冲计数控制单元、辅助电源节能单元、脉冲群延时单元、温度保护单元以及振荡器。脉冲计数控制单元和脉冲群延迟单元用于调整脉冲宽度调制过程的脉冲，降低电路的电磁干扰。脉冲计数控制单元每增加一个周期的脉冲数，输出到负载的功率就会额外增加。另一方面，脉冲群延迟单元移动每组脉冲的起始时间，从而减少整体辐射。辅助电源节能单元可以提高电源可靠性，降低电源的功耗。

Description

一种通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路
技术领域
本发明创造涉及一种降低电磁干扰(EMI)的电子电路设计。更具体地说，本发明创造通过电子电路调整脉冲的产生规则、修改脉冲宽度，来减少电磁干扰并增加开关电源的峰值功率能力。
背景技术
现有技术中：1、传统的开关电源利用连续脉冲宽度调制(PWM)的方法，电源工作期间会产生很强的电磁干扰(EMI)，并且电源过载能力低。2、几乎所有的开关电源都使用电解电容器，在低温时容量将会减少。如果温度下降到一定值以下，该设备的电容器可能无法保障电路的正常运行。因此需要一种方法，该方法可以在非常低的温度下，即使电容容量降到很低，也能保证电路的正常运行。
发明内容
为了解决现有技术中的问题1，本发明创造通过将脉宽调制过程的脉冲分成几组，对脉宽调制过程的脉冲群组进行调整。此外，本发明创造通过改变脉冲群的起始时间，脉冲群工作在不同的时间点，噪音能量也分散到整个时域。因此减小了电磁噪音的峰值。此外本发明创造增加了一种的脉冲计数控制单元，可以瞬间提供几倍的额定功率输出给负载。
通过调制过程中修改脉冲的脉宽，本发明创造涉及一个与现有的开关电源电路普遍存在的问题。开关管切换时会产生很大的尖峰噪音，噪音会传导到交流输入线，也会辐射到空气中造成电磁干扰。因此需要一个外部滤波电路，以满足电磁兼容(EMC)标准。更具体地说，本发明创造在电容器充电阶段期间停止开关动作，并只允许在电容器充满电后发生开关切换。在这样做时，本发明创造通过一个二极管来阻断本该需要一个大的且昂贵的外部滤波电路来消除的噪声。
为了解决现有技术中的问题2，本发明创造根据温度来调整工作模式，使得低温对本发明创造的装置的整体功能没有影响。
本发明创造的目的是提供一种专用集成电路，该集成电路通过修改脉冲来降低电磁干扰并提高峰值功率能力。特别是，本发明创造具有产生间隔脉冲群的能力，以及改变每个周期的脉冲群的起始点。此外，本发明创造能够根据负载要求以增加脉冲的数目。从更广的角度来看，采用本发明创造的设备是能够减小体积的。与传统的开关电源相比，本发明创造提供了一种在使用时的具备最小干扰和更高峰值功率的电路。同时，本发明创造根据温度来调整工作模式，使得低温对本发明创造的装置的整体功能没有影响。
为了实现上述目的，本发明创造提供了一种通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路，包括信号输入端、信号输出端、供电线、脉冲计数控制单元、辅助电源节能单元、脉冲群延时单元、温度保护单元以及振荡器；信号输入端电连接在供电线上；供电线被电子集成在辅助电源节能单元上；温度保护单元被电子连接在供电线上；脉冲群延时单元被电子连接到供电线上；脉冲群延迟单元被电连接到振荡器；振荡器电连接至脉冲计数控制单元；脉冲计数控制单元电连接至信号输出端。
采用辅助电源节能单元在电压超过预定值时断开内部开关，停止给VCC电容充电，提高了用电效率和可靠性；采用脉冲群延迟单元能够调整脉冲宽度调制(PWM)的起点时间间隔，能减少电磁噪音的峰值；采用脉冲计数控制单元可以根据负载情况，增加或减少每个周期的脉冲数，从而可以提供几倍的额定功率；温度保护单元实时检测温度，切换电路的工作模式，从而保持本发明创造在低温下的系统的稳定运行。
作为本发明创造的进一步限定方案，辅助电源节能单元包括一个电流源、一个二极管以及一个电压调整电路；电流源通过供电线电连接到二极管的输入端；二极管的输出端通过供电线与储能电容的输出端相连；电压调整电路的输入端通过供电线电连接在二极管和储能电容的输出端之间；电压调整电路的输出端电连接到电流源。采用电压调整电路能够根据交流输入的周期控制芯片的充电时序。
作为本发明创造的进一步限定方案，电压调整电路包括第一比较器、第一参考电压源、与门以及一个恒流源；第一比较器的反相输入端作为电压调整电路的输入端；第一参考电压源电连接到第一比较器的正相输入端；第一比较器的输出端被电连接到与门的第一输入端；恒流源电连接到与门的第二输入端；与门的输出端作为电压调整电路的输出端。
作为本发明创造的进一步限定方案，温度保护单元设置在二极管和储能电容器的输出端之间的供电线上。
作为本发明创造的进一步限定方案，温度保护单元包括一个高温传感器、一个低温传感器、一个电路保护指令模块和一个触发电路；高温传感器电连接到电路保护指令模块的一个输入端；低温度传感器也电连接到电路保护指令模块的输入端；电路保护指令模块的输出端被电连接到触发电路；触发电路的输出端被电连接到供电线。采用高温传感器检测到任何有可能会导致本发明创造过热的异常的温度上升，当被检测到的温度上升时，高温传感器停止芯片工作，起到保护本发明创造不会过热损坏。
作为本发明创造的进一步改进方案，还包括一个与非门和第二比较器；振荡器的一个输出端被电连接到脉冲计数控制单元；脉冲计数控制单元被电连接到第二比较器的反相输入端；一个开关场效应晶体管的源极电连接到第二比较器的正相输入端；第二比较器的输出端被电连接到与非门的第一输入端；振荡器的输出端被电连接到与非门的第二输入端；与非门的输出端被电连接到信号输出端。
作为本发明创造的进一步改进方案，还包括一个栅极驱动器；栅极驱动器电子集成在与非门的输出端与开关场效应晶体管的源极之间。
作为本发明创造的进一步限定方案，开关场效应晶体管的栅极、源极和漏极是电子排列在一个共源结构中的。
作为本发明创造的进一步改进方案，还包括一个前沿消隐电路；前沿消隐电路电子集成在开关场效应晶体管的源极与第二比较器的正相输入端之间。
作为本发明创造进一步改进方案，还包括一个频率设定单元；频率设置单元被电连接到振荡器。
本发明创造的有益效果在于：(1)采用辅助电源节能单元在AC电压超过预定值时停止给芯片储能电容充电，提高了电源整机的效率和可靠性；(2)采用脉冲群延迟单元能够调整脉冲群(PWM)的起点，减少电磁噪音的峰值；(3)采用脉冲计数控制单元可以增加或减少每个周期的脉冲数，从而使电源能适应更宽范围的负载；(4)采用温度保护单元实时检测温度，根据检测温度切换工作模式，从而保持本发明创造在低温下的系统稳定性。
附图说明
图1A是本发明创造的电路图一。
图1B是本发明创造电路图二。
图2是本发明创造的另一个电路图和芯片内简图。
图3说明了由脉冲群延迟单元产生的脉冲群起始点偏移。
图4所示的输出负载电流与脉冲计数控制单元所产生的脉冲数的关系。
图5说明了脉冲计数控制单元和本发明创造的相关组件。
图6说明了本发明创造所用的芯片供电单元和所使用的温度保护单元。
图7说明了电容器的充电时间、芯片开关切换的时间段。
具体实施方式
所有附图都是为了更为清楚地描述本发明创造，并不是为了限制本发明创造的范围。
本发明创造介绍了一种通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路。与其他的降低电磁干扰电路相比，本发明创造的重点是芯片工作于间隙性脉冲群，每次脉冲群能量在时域内均匀分布，以减少电磁干扰。在本发明创造的优选实施例中，提供了一个输入交流电(AC)从90V到475V的小开关电源。此外，本发明创造体积小，可广泛应用于效率和可靠性都是至关重要的大小电路中。
如图1A、图1B和图2所示，本发明创造包括信号输入端1、信号输出端2、供电线3、脉冲计数控制单元4、辅助电源节能单元5以及脉冲群延时单元14。信号输入端1从交流输入中引出电流。因此，信号输入端1被用作信号的输入点。信号输入分为三个路径，其中一个路径是连接到了供电线3。此外，信号输入端1是电连接到供电线3的。供电线3是通过电子方式集成于辅助电源节能单元5内的，这样的辅助电源节能单元5可以直接影响流过供电线3的电流。本发明创造的辅助电源节能单元5在交流电压超过预定值时停止充电。更具体地说，本发明创造的电源供应器是这样控制的，AC电源高于设定值时，恒流源停止给芯片储能电容供电，以降低芯片的损耗；低于设定值时，恒流源给芯片储能电容充电。因此本发明创造的辅助电源节能单元5提高了整机效率和可靠性。信号输入端1的另一路径被连接到脉冲群延迟单元14。脉冲群延迟单元14与供电线3电连接，调整脉冲群(PWM)的起点时间，减少电磁辐射的峰值。
此外，当开关切换能量在时域中均匀分布时，辐射发射噪音峰值将被降低。因此，本发明创造的整体辐射保持低水平。脉冲群延迟单元14被电连接到一个振荡器20，这是用来产生三角波的。振荡器20再电连接到脉冲计数控制单元4。本发明创造还利用一个频率设置单元28，频率设置单元28电连接至振荡器20。脉冲计数控制单元4增加每个周期的脉冲数。其结果是，可以根据负载要求瞬间提供数倍的负载功率。此外，脉冲计数控制单元4是电连接到信号输出端2的，这是用来调制从本发明创造调整后的PWM信号。本发明创造还包括一种以电子方式连接到供电线3的温度保护单元15，利用温度保护单元15来保持本发明创造在低温下的功能。
根据传统经验，开关电源系统在切换过程中将产生尖峰。正如前面所讨论的，如图3所示，脉冲群延时单元14通过在脉宽调制过程中变化脉冲群的开始时间从而降低脉冲发射量。特别是，脉冲序列的起始点在时间上比前一个周期的起点偏移。其结果是，尖峰位置也是不同的，从一个位置到另一个这样的脉冲能量沿时间域的传播，使得辐射降低。整个过程中即使启动时间被偏移，但每个周期的脉冲的数目仍然是相同的。在上半个的周期内，输出电压是低于输入电压的，且本发明创造技术方案在这段时间内不启动切换。然而，当充电达到峰值且电容器开始放电时，输出电压大于输入电压。如图3中的第3个和第4个所示，本发明创造技术方案在输出电压高于输入电压时开始切换。
如图7所示，本发明创造在电容C1充电至AC输入最高峰值电压后开始工作，当电容C1的电压高于交流输入时，多个整流二极管D1反向偏置。如图3中第1个所示，说明了电容器的特性，电容C1充电时，多个整流二极管D1导通。另一方面，如图3中第2个所示，说明了切换过程中，电容C1发生放电，多个整流二极管D1反向偏置。当多个整流二极管D1反向偏置，电容C1电压高于输入电压。
大多数无线设备需要一个有限的功率。然而，这些设备在无线通信的不同阶段时需要额外的功率，特别是当无线设备发送一个信号时。为了供给所需的功率，电力供应需要在必要时配备增加功率的装置。在本发明创造中，脉冲计数控制单元4通过增加每个周期的脉冲数目来改变所需的附加功率。如图4所示，随着电流的增加，负载开始消耗能量，导致输出电压下降。输出电压下降导致输出至负载的电压下降。为了补偿电压的降低，脉冲计数控制单元4增加每一个周期的脉冲数，这样供给到输出负载的整体功率增加。举个例子，如果70个脉冲用于提供1瓦的功率，当脉冲的数目增加到140个脉冲时，便可以提供2瓦的功率。当输出电压稳定在正常工作条件下，每个周期的脉冲数在一个短时间内返回到70，如图4所示。特别是，根据系统要求的脉冲计数控制单元4在短时间内提供了一个持续的短时间功率提升。如图5可见，本发明创造利用一个与非门(NAND)21和第二比较器22结合脉冲计数控制单元4使用。同时，振荡器20的输出被电连接到脉冲计数控制单元4。此外，脉冲计数控制单元4与第二比较器22的一个反相输入端10电连接。电路其余部分的电流是由开关场效应晶体管(FET)25控制的。开关场效应晶体管25的源极连接到第二比较器22的正输入端11，开关场效应晶体管25是一个共源结构，其门极、漏极和源极是电子布置在一个共源配置中的。
进一步阐述了脉冲计数控制单元4，第二比较器22的输出连接到与非门21的一个输入端。为了完成对与非门21的输入，振荡器20的输出端连接到与非门21另一输入端。当与非门21的两个输入端满足导通条件，将从与非门21输出拉出电子与信号输出端2。本发明创还包括一个电子集成在与非门21的输出端和开关场效应晶体管25的源极之间的栅极驱动器26，栅极驱动器26用于放大与非门21的输出信号以及产生一个高电流驱动输入到开关场效应管25的门极。本发明创造还提供了一种用于避免假过流使芯片保护的前沿消隐电路27，该前沿消隐电路27电子集成在开关场效应晶体管25的源极与第二比较器22的正相输入端11之间。
如前面所讨论的，发明创造利用辅助电源节能单元5来断开系统所需的电源，例如辅助电源节能单元5用于维持储能电容C3的电压，储能电容C3用来维持整个发明创造的电压。此外，储能电容C3采用不连续的方式储存能量和供电，从而避免产生额外的热量。因此，本发明创造的整体效率提高。举一个例子，考虑到300V的交流输入以及储能电容C3所需的电压为20V，高于300V的高电压降低了储能电容C3的时间常数并缩短了储能电容器C3的充电周期。然而，在输入电压和储能电容C3之间的280V电压差异是浪费。为了防止能源浪费，辅助电源节能单元(辅助供电用)5仅在必要对储能电容C3进行充电以及在完全充满时切断储能电容C3的电源。在这样做时，辅助电源节能单元5关闭开关场效应晶体管25来消除能源浪费。因此，电流通过负载保持不变，没有额外的电压施加到整个负载，有效提高了本发明创造的整体效率。本发明创造所用的辅助电源节能单元5包括电流源6、二极管7和电压调整电路8。二极管7控制电流源6提供的电流方向。在这样做时，电流源6通过供电线3电连接到二极管7的输入端。特别是，二极管7的正向偏置电流来自电流源6。如图6可见，二极管的7的输出端通过供电线3电连接到储能电容C3。为了断开储能电容C3的电源，电压调整电路8改变交流输入的周期。为此，该电压调整电路8的一个输入端连接到二极管7的输出端与储能电容C3之间的供电线3上。电压调整电路8是电连接至电流源6的输出端，这样能够使修改得到有效地应用。在本发明创造的优选实施例中，该电压调整电路8包括第一比较器9、第一参考电压源、与门12以及第二参考电压源13。当第二参考电压源13定义的电压电平高于电流源的电压时，在这种情况下，电容器被关闭。如果电压电平低于电流源的电压，电容器C3打开。在这样做时，电压调整电路8的输入被配置为第一比较器9的一个反相输入端10。此外，第一参考电压源是电连接到第一比较器9的正相输入端11的，第一比较器9的输出端是电连接到与门12的第一个输入端的。为完成与门12的输入，第二参考电压源13是电连接到与门12的第二输入端的。与门12的输出端作为电压调整电路8的输出端。
利用温度保护单元15来检测本发明创造所用元件的温度。在本发明创造中，当电解电容器在低温下失去电容时，系统会忽略不稳定的反馈，并工作在具有固定数量的脉冲和宽度受限的脉冲的有限功率工作模式。因此，发送给负载的功率是有限的。其结果是，在有限功率的工作模式下，电源能够正常工作，温度上升后，本发明创造能够及时返回常温工作模式。
由于输出无法维持所需的电压，第一输出电容C2和第二输出电容C4的电容损失将导致本发明创造的系统性能下降。当最初检测到非常低的温度时，温度保护单元15确保本发明创造工作在功率限制工作模式中。为了做到这一目的，本发明创造忽略了从输出电压反馈的信号，并通过一个固定数量的脉冲和宽度受限的脉冲维持恒定的功率水平。其结果是，本发明创造产生的热直到电解电容器的温度上升到一个在操作温度范围内的温度值。为了维持输出电压，温度保护单元15通过供电线3连接在二极管7的输出端和电容器C3之间。如图6所示，温度保护单元15包括一个低温度传感器17、电路保护指令模块18和触发电路19。该低温度传感器17是以电子方式连接到电路保护指令模块18的输入端，这样低温度传感器17的信号能够及时被转移到电路保护指令模块18。另一方面，电路保护指令模块18的输出是通过电子方式连接到触发电路19。触发电路19提供固定数量的脉冲和宽度受限的脉冲，而不管输出电压。触发电路19的输出是通过电子方式连接到供电线3的，这样可以有效地提供额外的电压。此外，温度保护单元15还包括一个高温传感器16。高温传感器16主要用于保护目的。特别是，高温传感器16检测到任何有可能会导致本发明创造过热的异常的温度上升。当被检测到的温度上升时，高温传感器16切断电源，使得保护本发明创造免受过热。为了做到这一点，高温传感器16是电子连接到电路保护指令模块18的输入端。类似于低温传感器17，高温传感器16是电子连接到电路保护指令模块18的输入端。由于电路保护指令模块18和触发电路19是电子连接的，触发电路19可以关闭当前的电流，使本发明创造得到高温保护。当温度返回到正常工作温度时，电路保护指令模块18进行重新设定，使本发明创造可以运行在正常的工作条件下。
虽然本发明创造已经解释了它的首选实施例，但要理解为存在许多其他可能的修改和变化，只要不背离本发明创造声称的思想和范围。

Claims (10)

1.一种通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路，其特征在于：包括信号输入端、信号输出端、供电线、脉冲计数控制单元、辅助电源节能单元、脉冲群延时单元、温度保护单元以及振荡器；信号输入端连接在供电线上；供电线被电子集成在辅助电源节能单元上；温度保护单元连接在供电线上；脉冲群延时单元连接到供电线上；脉冲群延迟单元连接到振荡器；振荡器连接至脉冲计数控制单元；脉冲计数控制单元连接至信号输出端。
2.根据权利要求1所述的通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路，其特征在于：辅助电源节能单元包括一个电流源、一个二极管以及一个电压调整电路；电流源通过供电线连接到二极管的输入端；二极管的输出端通过供电线与储能电容的输出端相连；电压调整电路的输入端通过供电线连接在二极管和储能电容的输出端之间；电压调整电路的输出端连接到电流源。
3.根据权利要求2所述的通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路，其特征在于：电压调整电路包括第一比较器、第一参考电压源、与门以及一个恒流源；第一比较器的反相输入端作为电压调整电路的输入端；第一参考电压源连接到第一比较器的正相输入端；第一比较器的输出端被连接到与门的第一输入端；恒流源连接到与门的第二输入端；与门的输出端作为电压调整电路的输出端。
4.根据权利要求2所述的通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路，其特征在于：温度保护单元设置在二极管和储能电容器的输出端之间的供电线上。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路，其特征在于：温度保护单元包括一个高温传感器、一个低温传感器、一个电路保护指令模块和一个触发电路；高温传感器电连接到电路保护指令模块的一个输入端；低温度传感器也电连接到电路保护指令模块的输入端；电路保护指令模块的输出端被电连接到触发电路；触发电路的输出端被电连接到供电线。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路，其特征在于：还包括一个与非门和第二比较器；振荡器的一个输出端被电连接到脉冲计数控制单元；脉冲计数控制单元连接到第二比较器的反相输入端；一个开关场效应晶体管的源极连接到第二比较器的正相输入端；第二比较器的输出端连接到与非门的第一输入端；振荡器的输出端连接到与非门的第二输入端；与非门的输出端连接到信号输出端。
7.根据权利要求6所述的通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路，其特征在于：还包括一个栅极驱动器；栅极驱动器电子集成在与非门的输出端与开关场效应晶体管的源极之间。
8.根据权利要求6所述的通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路，其特征在于：开关场效应晶体管的栅极、源极和漏极是电子排列在一个共源结构中的。
9.根据权利要求6所述的通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路，其特征在于：还包括一个前沿消隐电路；前沿消隐电路电子集成在开关场效应晶体管的源极与第二比较器的正相输入端之间。
10.根据权利要求6所述的通过调整脉冲降低电磁干扰并增加峰值功率的电路，其特征在于：还包括一个频率设置单元；频率设置单元连接到振荡器。
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