CN106160452B - 抑制电磁干扰的电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种电源系统。抑制电磁干扰的电源系统，BUCK转换器，包括，工作电路，于脉宽调制信号的作用下在充电模式和放电模式之间切换，以输出第一电压；控制电路，于第一时钟脉冲信号、第一电压反馈信号、电流检测信号的作用下生成脉宽调制信号；电荷泵电路，包括，调压电路，于频率在设定范围内随机偏移的开关控制信号作用下于充电模式和放电模式之间切换将第一电压变换为第二电压；电荷泵控制电路，连接频率抖动模块，用于产生上述开关控制信号。本发明控制电荷泵电路的工作频率实现随机偏移，使得原先集中在狭窄频谱上的电磁辐射能量得以分布在较宽频谱范围，通过分散各谐波干扰的能量，实现对EMI有效抑制。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种电源系统。
背景技术
采用电池供电的便携式电子产品中常常需要电源系统提供正负电压，现有技术的电源系统通过BUCK转换器将一输入高电压降到较低的电压后输出电压，该输出电压同时通过电荷泵电路转换以得到稳定的负电压输出。电荷泵是利用电容作为储能元件的一种开关电源，其内部通过控制开关管阵列来控制电容的充放电，实现电压转化，其特性基于线性稳压器和电感式开关电源之间，具有较高的效率和相对简单的外围电路，在需要负电压供电的系统中得到广泛的应用，然而现有电源系统中开关管随高低电平开启和关断时，由于电路中寄生电感和电容等因素的影响，会产生较高的电压和电流尖峰，这些尖峰含有大量的谐波成分，造成较高的电磁干扰(EMI，Electro Magnetic Interference)辐射。参照图1的电路图及图2至图4的充放电时序图可以看出，现有技术中纹波电压过高，电磁干扰问题突出，影响系统的性能表现。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种抑制电磁干扰的电源系统，解决以上技术问题；
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
抑制电磁干扰的电源系统，其中，包括，
BUCK转换器，所述BUCK转换器包括，
设置有储能元件的工作电路，于一脉宽调制信号的作用下在充电模式和放电模式之间切换，以输出一第一电压；
控制电路，于一由时钟单元产生的第一时钟脉冲信号、一采样自所述第一电压的第一电压反馈信号、一电流检测信号的作用下生成所述脉宽调制信号；
电荷泵电路，所述电荷泵电路包括，
设置有储能电容的调压电路，于一组频率在设定范围内随机偏移的开关控制信号作用下于充电模式和放电模式之间切换，将所述第一电压变换为一第二电压；
电荷泵控制电路，连接一频率抖动模块，用于产生所述开关控制信号。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，所述电荷泵控制电路包括，
比较器，于一采样自所述第二电压的第二电压反馈信号、一由所述频率抖动模块产生的大小随机改变的阈值电压的作用下产生一比较信号；
振荡器，于所述比较信号的作用下产生第二时钟脉冲信号；
电平转换电路，与所述振荡器连接，依据所述第二时钟脉冲信号产生所述开关控制信号。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，所述频率抖动模块包括，
电流调制单元，于一随机信号的控制下对一第一电流源进行调制以输出一调制电流；所述调制电流和一第二电流源的电流叠加后作用于所述电荷泵控制电路以产生频率在设定范围内随机偏移的开关控制信号。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，所述调压电路包括，
一输入电压端，与所述第一电压连接；
一输出电压端，用于输出所述第二电压；
第一开关支路，连接于所述输入电压端和一第一交汇结点之间；
第二开关支路，连接于所述第一交汇结点和接地端之间；
第三开关支路，连接于所述输出电压端和一第二交汇结点之间；
第四开关支路，连接于所述第二交汇结点和接地端之间；
所述第一开关支路、所述第二开关支路、所述第三开关支路和所述第四开关支路的控制端分别与所述开关控制信号连接；
所述储能电容连接于所述第一交汇结点和所述第二交汇结点之间；
所述调压电路于充电模式时，所述第一开关支路和所述第四开关支路导通，所述第二开关支路和所述第三开关支路断开，所述输入电压端向所述储能电容充电；
所述调压电路于放电模式时，所述第二开关支路和所述第三开关支路导通，所述第一开关支路和所述第四开关支路断开，自所述储能电容两端向所述输出电压端放电。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，还包括一输出电容，连接于所述输出电压端和接地端之间。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，所述第一开关支路上串联一第一PMOS管，所述第二开关支路上串联一第一NMOS管，所述第三开关支路上串联一第二NMOS管，所述第四开关支路上串联一第三NMOS管。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，所述工作电路包括，
充电控制支路，连接于一输入端与一交汇结点之间；
充放电支路，连接于所述交汇结点与一输出端之间；
放电控制支路，连接于所述交汇结点与接地端之间；
所述储能元件串联于所述充放电支路上；
所述工作电路于充电模式时，所述开关器件组控制所述充电控制支路及所述充放电支路导通，并控制所述放电控制支路断开，使所述输入端输入的电流对所述储能元件充电；
所述工作电路于放电模式时，所述开关器件组控制所述放电控制支路及所述充放电支路导通，并控制所述充电控制支路断开，使所述储能元件对所述输出端放电。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，所述控制电路包括，
一误差放大器，用于对一参考电压与所述电压反馈信号进行比较，得到一误差放大信号；
一比较器，用于对所述误差放大信号与所述电流检测信号进行比较，产生一比较信号；
一PWM调制器，所述PWM调制器连接所述时钟信号，用于依据所述比较信号和所述时钟信号产生所述脉宽调制信号。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，所述充电控制支路上串联一第二PMOS管；所述放电控制支路上串联一第四NMOS管。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，所述第一电压与所述第二电压之间连接负载。
有益效果：由于采用以上技术方案，本发明控制电荷泵电路的工作频率实现随机偏移，使得原先集中在狭窄频谱上的电磁辐射能量得以分布在较宽频谱范围，通过分散各谐波干扰的能量，实现对电磁干扰(EMI)的有效抑制。
附图说明
图1现有技术的BUCK变换器和电荷泵构成的电源系统结构图；
图2为BUCK变换器的充放电时序图；
图3为电荷泵的充放电时序图；
图4为现有技术的BUCK变换器和电荷泵构成的电源系统的充放电时序图；
图5为本发明的BUCK变换器和电荷泵构成的电源系统结构图；
图6为本发明的BUCK变换器和电荷泵构成的电源系统的充放电时序图；
图7为现有技术的输出电压纹波频谱图；
图8为本发明的输出电压纹波频谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参照图5，抑制电磁干扰的电源系统，其中，包括，
BUCK转换器，BUCK转换器包括，
设置有储能元件的工作电路，于一脉宽调制信号的作用下在充电模式和放电模式之间切换，以输出一第一电压VDD2；
控制电路，于一由时钟单元5产生的第一时钟脉冲信号、一采样自第一电压VDD2的第一电压反馈信号Vfb、一电流检测信号的作用下生成脉宽调制信号；
电荷泵电路，电荷泵电路包括，
设置有储能电容C1的调压电路，于一组频率在设定范围内偏移的开关控制信号作用下于充电模式和放电模式之间切换，将第一电压VDD2变换为一第二电压VSS；
电荷泵控制电路12，连接一频率抖动模块4，用于产生上述的开关控制信号。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，电荷泵控制电路12可以包括，
比较器，于一采样自第二电压VSS的第二电压反馈信号、一由频率抖动模块4产生的大小随机改变的阈值电压的作用下产生一比较信号；
振荡器，于比较信号的作用下产生第二时钟脉冲信号；
电平转换电路，与振荡器连接，依据第二时钟脉冲信号产生开关控制信号。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，频率抖动模块还可以包括，
电流调制单元，于一随机信号的控制下对第一电流源进行调制以输出一调制电流；上述调制电流和一第二电流源的电流叠加后作用于电荷泵控制电路以产生频率在设定范围内偏移的开关控制信号。
可以通过多个电阻的电路拓扑与第一电流源串联，改变电路结构中电阻的阻值来产生周期性的小电流作为调制电流，随机信号可以通过一随机控制器产生，用于实现电路结构中电阻阻值的随机变化；调制电流随电阻阻值的变化而变化，调制电流与第二电流源叠加后可以作用于电荷泵控制电路的振荡器，实现频率抖动。
在电源芯片上实现改变振荡器频率的方法有：改变充放电的电容值，改变电容充放电时的高低电压阈值以及改变电容充放电电流，本发明还可以采用其他的方式输出具有频率在设定范围内偏移的脉冲波来控制并驱动调压电路，以降低该电源系统的电磁干扰辐射量。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，调压电路可以包括，
一输入电压端，与第一电压VDD2连接；
一输出电压端，用于输出第二电压VSS；
第一开关支路，连接于输入电压端和一第一交汇结点Lx1之间；
第二开关支路，连接于第一交汇结点Lx1和接地端GND之间；
第三开关支路，连接于输出电压端和一第二交汇结点Lx2之间；
第四开关支路，连接于第二交汇结点Lx2和接地端GND之间；
第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路和第四开关支路的控制端分别与开关控制信号连接；
储能电容C1连接于第一交汇结点Lx1和第二交汇结点Lx2之间；
调压电路于充电模式时，第一开关支路和第四开关支路导通，第二开关支路和第三开关支路断开，输入电压端向储能电容C1充电；
调压电路于放电模式时，第二开关支路和第三开关支路导通，第一开关支路和第四开关支路断开，自储能电容C1两端向输出电压端放电。
调压电路还可以采用其他电荷泵电路中采用的拓扑结构。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，第一开关支路上可以串联一第一PMOS管Mp1，第二开关支路上可以串联一第一NMOS管Mn1，第三开关支路上可以串联一第二NMOS管Mn3，第四开关支路上可以串联一第三NMOS管Mn2。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，还包括一输出电容C2，连接于输出电压端和接地端GND之间。调压电路于放电模式时，自储能电容C1两端向输出电容C2放电。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，工作电路可以包括，
充电控制支路，连接于一输入端VDD与一交汇结点Lx之间；
充放电支路，连接于交汇结点Lx与一输出端VDD2之间；
放电控制支路，连接于交汇结点Lx与接地端GND之间；
储能元件L串联于充放电支路上；
工作电路于充电模式时，充电控制支路及充放电支路导通，放电控制支路断开，使输入端VDD输入的电流对储能元件L充电；
工作电路于放电模式时，放电控制支路及充放电支路导通，充电控制支路断开，使储能元件L对输出端VDD2放电。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，充电控制支路上可以串联一第二PMOS管Mp；放电控制支路上可以串联一第四NMOS管Mn。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，控制电路可以包括，
一误差放大器6，用于对一参考电压Vref与电压反馈信号Vfb进行比较，得到一误差放大信号；
一比较器2，用于对误差放大信号与电流检测信号进行比较，产生一比较信号；
一PWM调制器1，PWM调制器连接时钟信号，用于依据比较信号和时钟信号产生脉宽调制信号。控制电路还进一步包含电流采样电路3和过零检测电路7，具体实现方法在此不做赘述。
本发明的抑制电磁干扰的电源系统，第一电压VDD2与第二电压VSS之间连接负载Rload。
现有技术中电荷泵的工作频率是固定不变的，本发明创新性地用频率抖动模块控制电荷泵的工作频率实现随机偏移，使得原先集中在狭窄频谱上的电磁辐射能量得以分布在较宽频谱范围，通过分散各谐波干扰的能量，实现对电磁干扰的有效抑制。对比图7和图8的输出电压纹波频谱图，本发明使得输出电压纹波的频谱更加分散，减小输出电压的纹波对其他模块的影响，有效抑制了电磁干扰。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.抑制电磁干扰的电源系统，其特征在于，包括，
BUCK转换器，所述BUCK转换器包括，
设置有储能元件的工作电路，于一脉宽调制信号的作用下在充电模式和放电模式之间切换，以输出一第一电压；
控制电路，于一由时钟单元产生的第一时钟脉冲信号、一采样自所述第一电压的第一电压反馈信号、一电流检测信号的作用下生成所述脉宽调制信号；
电荷泵电路，所述电荷泵电路包括，
设置有储能电容的调压电路，于一组频率在设定范围内随机偏移的开关控制信号作用下于充电模式和放电模式之间切换实现电压转换，将所述第一电压变换为一第二电压；
电荷泵控制电路，连接一频率抖动模块，用于产生所述开关控制信号；
所述电荷泵控制电路包括，
比较器，于一采样自所述第二电压的第二电压反馈信号、一由所述频率抖动模块产生的大小随机改变的阈值电压的作用下产生一比较信号；
振荡器，于所述比较信号的作用下产生第二时钟脉冲信号；
电平转换电路，与所述振荡器连接，依据所述第二时钟脉冲信号产生所述开关控制信号。
2.根据权利要求1所述的抑制电磁干扰的电源系统，其特征在于，所述频率抖动模块包括，
电流调制单元，于一随机信号的控制下对所述第一电流源进行调制以输出一调制电流；所述调制电流和一第二电流源的电流叠加后作用于所述电荷泵控制电路以产生频率在设定范围内随机偏移的开关控制信号。
3.根据权利要求1所述的抑制电磁干扰的电源系统，其特征在于，所述调压电路包括，
一输入电压端，与所述第一电压连接；
一输出电压端，用于输出所述第二电压；
第一开关支路，连接于所述输入电压端和一第一交汇结点之间；
第二开关支路，连接于所述第一交汇结点和接地端之间；
第三开关支路，连接于所述输出电压端和一第二交汇结点之间；
第四开关支路，连接于所述第二交汇结点和接地端之间；
所述第一开关支路、所述第二开关支路、所述第三开关支路和所述第四开关支路的控制端分别与所述开关控制信号连接；
所述储能电容连接于所述第一交汇结点和所述第二交汇结点之间；
所述调压电路于充电模式时，所述第一开关支路和所述第四开关支路导通，所述第二开关支路和所述第三开关支路断开，所述输入电压端向所述储能电容充电；
所述调压电路于放电模式时，所述第二开关支路和所述第三开关支路导通，所述第一开关支路和所述第四开关支路断开，自所述储能电容两端向所述输出电压端放电。
4.根据权利要求3所述的抑制电磁干扰的电源系统，其特征在于，还包括一输出电容，连接于所述输出电压端和接地端之间。
5.根据权利要求3所述的抑制电磁干扰的电源系统，其特征在于，所述第一开关支路上串联一第一PMOS管，所述第二开关支路上串联一第一NMOS管，所述第三开关支路上串联一第二NMOS管，所述第四开关支路上串联一第三NMOS管。
6.根据权利要求1所述的抑制电磁干扰的电源系统，其特征在于，所述工作电路包括，
充电控制支路，连接于一输入端与一交汇结点之间；
充放电支路，连接于所述交汇结点与一输出端之间；
放电控制支路，连接于所述交汇结点与接地端之间；
所述储能元件串联于所述充放电支路上；
所述工作电路于充电模式时，所述充电控制支路及所述充放电支路导通，所述放电控制支路断开，使所述输入端输入的电流对所述储能元件充电；
所述工作电路于放电模式时，所述开关器件组控制所述放电控制支路及所述充放电支路导通，所述充电控制支路断开，使所述储能元件对所述输出端放电。
7.根据权利要求1所述的抑制电磁干扰的电源系统，其特征在于，所述控制电路包括，
一误差放大器，用于对一参考电压与所述电压反馈信号进行比较，得到一误差放大信号；
一比较器，用于对所述误差放大信号与所述电流检测信号进行比较，产生一比较信号；
一PWM调制器，所述PWM调制器连接所述时钟信号，用于依据所述比较信号和所述时钟信号产生所述脉宽调制信号。
8.根据权利要求6所述的抑制电磁干扰的电源系统，其特征在于，所述充电控制支路上串联一第二PMOS管；所述放电控制支路上串联一第四NMOS管。
9.根据权利要求1所述的抑制电磁干扰的电源系统，其特征在于，所述第一电压与所述第二电压之间连接负载。
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