CN107800288A - 电磁干扰阻挡系统 - Google Patents

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Abstract

展现一种用于阻挡电磁干扰(EMI)的设备和方法。具体地说，本发明涉及一种切换式电源，所述切换式电源设有具有低功率耗散的电磁干扰保护电路。在此提供绝热地切换的电磁干扰保护电路。所述保护电路包括第一电荷存储元件和第二电荷存储元件。切换式稳压器利用具有接通时间和断开时间的切换周期操作；并且所述控制信号被布置以引起所述第一模式与所述第二模式之间的转变在所述切换式稳压器的切换周期的断开时间期间开始。

Description

电磁干扰阻挡系统
技术领域
本公开涉及用于阻挡电磁干扰(EMI)的设备和方法。具体地说，本发明涉及一种切换式电源，所述切换式电源设有具有低功率耗散的电磁干扰保护电路。
背景技术
切换式电源常常用于需要高功率转换效率和小占地面积的应用。然而，切换式电源趋于比线性转换器更嘈杂。
在US6765774中呈现的一种解决方案是提供具有用于阻挡电磁干扰的高阻抗系统的切换式电源。在这种情况下，开关用于将电源与由负载产生的干扰隔开。然而，这样做时，切换式电源通过功率耗散损失效率。
发明内容
本发明的目标是解决上面提到的限制中的一个或多个。根据本公开的第一方面，提供一种绝热地切换的电磁干扰保护电路。
任选地，保护电路包括第一电荷存储元件和第二电荷存储元件，第一电荷存储元件和第二电荷存储元件设在用于接收整流输入电压的输入与用于连接到切换式稳压器的输出之间；其中保护电路可在第一模式、第二模式与第三模式之间选择性地操作；在第一模式中，第一电荷存储元件被耦合到输入和与输出去耦；在第二模式中，第二电荷存储元件被耦合到输入和与输出去耦；在第三模式中，第一电荷存储元件和第二电荷存储元件各自与输入和输出去耦；以及控制器，被适配成输出控制信号，以便经由第三模式使保护电路在第一模式与第二模式之间切换；其中控制信号被适配成在延迟时间内将保护电路维持处于第三模式中。
任选地，切换式稳压器被配置为利用具有接通时间和断开时间的切换周期操作；并且控制信号被布置以引起第一模式与第二模式之间的转变在切换式稳压器的切换周期的断开时间期间开始。
任选地，控制信号被布置以引起第一模式与第二模式之间的转变在整流输入电压增加的时间段期间开始。
任选地，控制信号包括多个逻辑信号。
任选地，保护电路包括耦合到第一电荷存储元件和第二电荷存储元件的第一对开关和耦合到第一电荷存储元件和第二电荷存储元件的第二对开关。
任选地，控制信号包括被适配成操作第一对开关的第一逻辑信号和被适配成操作第二对开关的第二逻辑信号。
任选地，第一对开关包括第一开关，所述第一开关被耦合在保护电路的输入与第一电荷存储元件之间；以及第二开关，所述第二开关被耦合在第二电荷存储元件与保护电路的输出之间；并且第二对开关包括第三开关，所述第三开关被耦合在保护电路的输入与第二电荷存储元件之间；以及第四开关，所述第四开关被耦合在第一电荷存储元件与保护电路的输出之间。
任选地，控制器包括耦合到多个逻辑门的延时电路。
任选地，延时在约0.5微秒至约1微秒范围内。
根据本公开的第二方面，提供一种转换器电路，所述转换器电路包括：整流器，其用于提供整流输入电压；切换式稳压器，包括电源开关；以及绝热地切换的电磁干扰保护电路，被耦合到整流器和切换式稳压器。
任选地，保护电路包括第一电荷存储元件和第二电荷存储元件，第一和第二电荷存储元件设置在用于接收整流输入电压的输入与用于连接到切换式稳压器的输出之间；其中保护电路可在第一模式、第二模式与第三模式之间选择性地操作；在第一模式中，第一电荷存储元件被耦合到输入和与输出去耦；在第二模式中，第二电荷存储元件被耦合到输入和与输出去耦；在第三模式中，第一电荷存储元件和第二电荷存储元件各自与输入和输出去耦；以及控制器，被适配成输出控制信号，以便经由第三模式使保护电路在第一模式与第二模式之间切换；其中控制信号被适配成在延迟时间内将保护电路维持处于第三模式中。
任选地，整流器包括至少两个开关。
任选地，保护电路包括耦合到第一电荷存储元件和第二电荷存储元件的第一对开关和耦合到第一电荷存储元件和第二电荷存储元件的第二对开关；并且其中第一对开关和第二对开关中的一个开关是切换式稳压器的电源开关。
根据本公开的第三方面，提供一种电磁干扰保护方法，所述方法包括提供绝热地切换的电磁干扰保护电路，所述电磁干扰保护电路包括位于用于接收整流输入电压的输入与用于连接到切换式稳压器的输出之间的第一电荷存储元件和第二电荷存储元件；其中保护电路可在第一模式、第二模式与第三模式之间选择性地操作；在第一模式中，第一电荷存储元件被耦合到输入和与输出去耦；在第二模式中，第二电荷存储元件被耦合到输入和与输出去耦；在第三模式中，第一电荷存储元件和第二电荷存储元件各自与输入和输出去耦；以及通过在延迟时间内将保护电路维持处于第三模式中，经由第三模式使保护电路在第一模式与第二模式之间切换。
任选地，切换式稳压器被配置来利用具有接通时间和断开时间的切换周期操作；并且在切换式稳压器的切换周期的断开时间期间执行在第一模式与第二模式之间切换保护电路。
任选地，在第一模式与第二模式之间切换保护电路在整流输入电压增加的时间段期间开始。
任选地，所述方法包括在第一模式中为第一电荷存储元件充电以及在第二模式中使第一电荷存储元件放电。
任选地，所述方法包括在第二模式中为第二电荷存储元件充电以及在第一模式中使第二电荷存储元件放电。
任选地，当整流输入电压达到等于跨电容器的电压的值时，开始为存储元件充电。
任选地，所述方法包括提供耦合到第一电荷存储元件和第二电荷存储元件的第一对开关和耦合到第一电荷存储元件和第二电荷存储元件的第二对开关。
任选地，所述方法包括生成用于控制第一对开关的第一逻辑信号和生成用于控制第二对开关的第二逻辑信号。
附图说明
借助示例并且参考附图在下文更详细地描述本公开，在附图中：
图1是根据现有技术的包括用于阻挡EMI的系统的电路图；
图2是示出图1的电路的工作的时序图；
图3是设有绝热EMI阻挡系统的功率转换器系统的示意图；
图4是图3的绝热隔离区段的电路图；
图5是利用EMI阻挡系统而产生的切换负载的模拟电路图；
图6是示出图5的电路的工作的时序图；
图7是图5的时序图的特写视图；
图8是设有绝热EMI阻挡系统的功率转换器的另一个电路图。
具体实施方式
图1示出电源电路100，如US6765774中所述。电路100设有插入AC输入电压与负载114之间的高阻抗系统118。高阻抗系统118包括由四个二极管D1、D2、D3和D4形成的整流器118、电容器C1、开关112和用于控制开关112的控制器116。负载114包括另一个电容器C2，其与开关电源并联连接。
图2示出全波整流AC输入电压、AC输入电流波形、开关112的状态和图1的整流器的阻抗状态。
在t＝t0处，开关112断开(打开)。此时，电容器C1充电，并且从电容器C2给切换式功率转换器负载供电。
在t＝t1处，C1的电压达到其最大值。
在t＝t2处，跨电容器C2的电压达到最小阈值，此时开关112接通(闭合)。当开关112接通时，电容器C1和C2的电压变为输入线路电压。即使开关112保持接通，由开关负载导致的开关噪声也不会连通回到输入线路。这是因为大型电容器上的电压大于输入电压。在电容器上的电荷使得二极管D1、D2、D3和D4反向偏压，以对应于整流器的高阻抗状态。因此，此时，并不存在来自输入线路的电流。
在t2与t3之间，从C1和C2两者为切换式功率转换器供电。
然而，现有技术的方法的限制在于当开关112在时间t＝t2处接通时，电容器C1和C2突然并联连接，从而导致能量损失。由于C1和C2变为不同电压，因此电荷将在C1与C2之间流动。另外，在时间t＝t2处，C1是少量电流将放电至源，而C2是从源向源极充电。因此，存在来自线路的较大电流尖峰脉冲。这个电流的一部分在电容器的等效串联电阻(ESR)中和在正向偏压二极管中耗散。此时穿过C1和C2的电流仅限制于电容器的ESR。因此，能量损失来自输入线路并且导致效率损失。
图3示出被适配成阻挡EMI干扰的电源电路的框图，所述电源电路包括设在整流器310与负载330之间的绝热或准绝热系统320。绝热或准绝热系统320允许在不耗散系统内的能量的情况下阻挡由切换式稳压器负载产生的EMI。
图4示出绝热系统420的可能实现方式。在这个示例中，绝热电路具有两个电荷存储元件，例如两个电容器，它们设在用于接收整流器410的输出的输入与用于连接到负载430的输出之间。整流器可以是由四个二极管形成的全波桥式整流器。负载可以是开关转换器，诸如降压转换器或降压-升压转换器。绝热电路420包括两个臂部，两个臂部各自在输入与输出之间延伸。第一臂部设有开关S1和S2，并且第二臂部设有开关S3和S4。第一电容器C1具有第一终端，第一终端通过开关S1而耦合到输入并且通过开关S2而耦合到输出。电容器C1的第二终端连接到地。第二电容器C2具有第一终端，所述第一终端通过开关S3而耦合到输入并且通过开关S4而耦合到输出。电容器C2的第二终端连接到地。电容器C1和C2还被称为大型电容器。控制器(未示出)被适配成生成分别用于操作开关S1、S4和S2、S3的逻辑信号A和B。
图5示出用于图4的电路的模拟电路。在这个示例中，整流器由连接到用于提供AC输入信号的输入线路的全波桥式整流器提供。负载由降压-升压转换器提供，诸如回扫转换器。回扫转换器的开关电流由电流生成器I1和由晶体管T1和T2形成的电流镜建模。
为有助于模拟，附加的电容器C3并联连接在绝热电路420的输出处。电容器C3具有比大型电容器C1和C2的电容小约四个量级的电容。这个电容器因此是任选的，并且可用于有助于去除非绝热损失。
控制器550包括用于接收逻辑信号的输入和用于分配一对不重叠的逻辑信号Ph_A和Ph_B的两个输出。信号发生器(未示出)生成逻辑信号Alt_Sw，逻辑信号Alt_Sw被设计成每个AC输入线路的1/2周期在高值(诸如逻辑1)与低值(诸如逻辑0)之间切换。延时电路510提供在控制器的输入处。延迟电路510耦合到与门520和或门530。与门520具有第一输入522、第二输入524和一个输出526。或门530具有第一输入532、第二输入534和一个输出536。逻辑信号Alt_Sw提供在延迟电路510处和在与门和或门的输入524和534处。延迟逻辑信号提供在与门和或门的输入522和532处。
图6示出包括绝热系统的输入AC电压610、输出电压620、跨C1的电容器电压630、跨C2的电容器电压640、逻辑信号Ph_A 650、逻辑信号Ph_B 660、切换式稳压器的开关电流信号670、穿过输入线路的输入电流信号680以及输入AC电压610的整流输入电压690的分布的时序图。
图7示出跨约80μs时间窗口的逻辑信号650和660、开关电流信号670和输入电流信号680。图7还示出切换式稳压器的切换周期分布690。切换周期具有对应于切换式稳压器的电源开关的接通时间T接通的一系列的脉冲。两个连续脉冲由断开时间T断开隔开。电源开关的接通时间T接通每20μs出现。这对应于回扫转换器的50KHz的操作频率。在信号670上可观察到来自切换式稳压器的一列电流脉冲。
绝热保护电路可在三个模式之间选择性地操作。在第一模式中，电容器C1被耦合到输入和与输入去耦。在第二模式中，第二电容器C2被耦合到输入和与输入去耦。在第三模式中，C1和C2各自与输入和输出两者去耦。经由第三模式执行第一模式与第二模式之间的切换。
开关S1和S4由逻辑信号Ph_A 650操作，并且开关S2和S3由逻辑信号Ph_B 660操作。现将参考图6和7通过考虑时间t1与t4之间的完整周期来描述操作。
在时间t＝t1处，逻辑信号Ph_A变高，例如从逻辑0至逻辑1。开关S1和S4接通(闭合)。逻辑信号Ph_B变低，例如从逻辑1至逻辑0。开关S2和S3断开(打开)。绝热保护电路在第一模式中。
在时间t＝t1与t＝t2之间，电容器C1由AC输入线路通过整流器充电，并且切换式稳压器由电容器C2驱动。信号630和640示出C1的充电和C2的放电。在这个示例中，可观察到C1在时间t2之前达到充满状态。
通过将电容器C1通过整流器连接到输入线路来给电容器C1充电。在整流输入电压达到等于跨C1的电压的值前，在整流输入电压690增加的时间点处执行连接。在t＝t1之前，整流器的四个二极管反向偏压。因此，在输入线路已经达到跨电容器C1的电压前，并不存在从输入线路流动的电流。当输入线路电压穿过存储在C1上的电压级时，那么在那个线路电压后，C1开始充电。这防止了电容器突然连接到处于与电容器的电流电荷电平非常不同的电势的源。因此，以最小功率耗散为电容器充电，因此绝热或准绝热。在C1的充电时间期间，整流输入电压信号的斜率是正的。
持续时间t2-tl大致等于AC源电压的的半周期。在这个时间期间，S2是打开的，因此输入线路从负载断开，因此防止EMI从负载向源传播。
在时间t＝t2处，还被称为转变时间，逻辑信号Ph_A 650从高变低，例如从逻辑1至逻辑0。开关S1和S4断开(打开)。绝热保护电路在第三模式中。
图7中示出时间t2周围的特写。转变时间t2发生在切换式稳压器的两个连续电流脉冲之间，因此在切换式稳压器的切换周期的断开时间T断开期间。由于第一模式与第二模式之间的转变在T断开期间发生，在接通时间期间，并不存在可从转换器获得的功率的断开或中断。在t＝t2与t＝t2+延迟之间，逻辑信号Ph_A和Ph_B两者较低。在这个延迟时间期间，所有开关断开(打开)。
将延迟选择为长至足以确保开关完全断开，但是短至足以不会干扰切换周期的下一脉冲。延迟时间可在约与之间的范围内。例如，合适延迟可以在几百纳秒至微秒范围内。例如，在约0.5μs至约1μs之间。延时允许电容器C1和C2在所有时间上保持彼此断开。换句话说，C1和C2在任何时间上都不会并联连接在一起。这防止了这些电容的将导致系统的显著功率耗散的突然充电和放电。
在时间t2+延迟处，逻辑信号Ph_B 660从低变高，而逻辑信号Ph_A 650保持较低。开关S2和S3接通(闭合)，从而允许电容器C2通过整流器充电和电容器C1通过负载放电。信号630示出跨C1的电压降低。绝热保护电路在第二模式中。
在t2与t3之间，C2的电压640保持不变。在这个时间期间，整流电压690增加。在时间t3处，整流电压已经达到低于或等于跨C2电压的值。
在时间t＝t3处，电容器C2开始充电。因此，在整流输入电压达到等于跨C2的电压的值之前或在此时，在整流输入电压690增加的时间点处电容器C2充电。在t＝t3之前，整流器的四个二极管反向偏压。因此，在输入线路已经达到跨电容器C2的电压前，并不存在从输入线路流动的电流。当输入线路电压穿过存储在C2上的电压级时，那么在那个线路电压后，C2开始充电。因此，以最小功率耗散为电容器充电，因此绝热或准绝热。在C2充电期间，整流输入电压信号690的斜率是正的。
持续时间t4-t2大致等于AC源电压的半周期。在这个时间期间，S4是打开的，因此输入线路从负载断开，因此防止EMI从负载向源传播。
在时间t＝t4处，逻辑信号Ph_B 660从高变低。开关S2和S3断开(打开)。逻辑信号Ph_A保持较低。对于t2，将转变时间t4选择为发生在切换式稳压器的两个连续电流脉冲之间，因此在切换式稳压器的切换周期的断开时间T断开期间。绝热保护电路在第三模式中。
在时间t＝t4+延迟处，逻辑信号Ph_A 650从低变高。开关S1和S4接通。这是周期的结束和下一周期的开始。将延迟选择为长至足以确保开关完全断开，但是短至足以便不干扰切换周期的下一脉冲。
绝热系统在第一模式与第二模式之间循环操作。在t1与t2之间，绝热系统在第一模式中，其中负载由C2驱动。在t2+延迟与t4之间，绝热系统在第二模式中，其中负载由C1驱动。绝热系统经由第三模式(也被称为中间模式)在第一模式与第二模式之间切换，在第三模式中，所有开关打开。以此方式，绝热系统将输入线路与切换式稳压器隔离。这防止了在负载处产生的干扰连通到源。在输入电流信号680上没有出现开关电流，如图7中的扁平线所示。
如绝热系统的电容器上方所示，在整流输入电压达到等于跨电容器的电压的值前，在整流输入电压690增加时为C1或C2充电。这防止了功率耗散。因此，现有电路被设计成在不降低效率的情况下阻挡EMI。
图8示出图4的电路的另一实施方案。在这种情况下，整流器由形成同步整流器的四个开关SR1、SR2、SR3、SR4提供，例如四个晶体管。使用这个实施方案，可进一步改善功率耗散。这部分地由于同步整流器的开关不显示电压降的事实。在替代实施方案中，整流器可由两个二极管和两个开关提供。
切换式稳压器负载设有电源开关。在图4和图8的电路中，电源开关可以是附加开关。可替代地，开关S2或S4中的一个可用作用于切换式稳压器的电源开关，因此简化电路设计。
技术人员将会理解，在不脱离本公开的情况下，所公开的布置的变化是可能的。因此，以上对具体实施方案的描述仅仅作为示例而非为了限制的目的。技术人员将会清楚，在不显著改变所描述的操作的情况下，可以作出较小修改。

Claims (22)

1.一种绝热地切换的电磁干扰保护电路。
2.如权利要求1所述的保护电路，包括：
第一电荷存储元件和第二电荷存储元件，设在用于接收整流输入电压的输入与用于连接到切换式稳压器的输出之间；
其中所述保护电路可在第一模式、第二模式与第三模式之间选择性地操作，在所述第一模式中，所述第一电荷存储元件被耦合到所述输入和与所述输出去耦；在所述第二模式中，所述第二电荷存储元件被耦合到所述输入和与所述输出去耦；在所述第三模式中，所述第一电荷存储元件和所述第二电荷存储元件各自与所述输入和所述输出去耦；以及
控制器，被适配成输出控制信号，以便经由所述第三模式使所述保护电路在所述第一模式与所述第二模式之间切换；其中所述控制信号被适配成在延迟时间内将所述保护电路维持处于所述第三模式中。
3.如权利要求2所述的保护电路，其中所述切换式稳压器被配置来利用具有接通时间和断开时间的切换周期操作；并且其中所述控制信号被布置以引起所述第一模式与所述第二模式之间的转变在所述切换式稳压器的切换周期的所述断开时间期间开始。
4.如权利要求2所述的保护电路，其中所述控制信号被布置以引起所述第一模式与所述第二模式之间的转变在所述整流输入电压增加的时间段期间开始。
5.如权利要求2所述的保护电路，其中所述控制信号包括多个逻辑信号。
6.如权利要求2所述的保护电路，包括耦合到所述第一电荷存储元件和所述第二电荷存储元件的第一对开关和耦合到所述第一电荷存储元件和所述第二电荷存储元件的第二对开关。
7.如权利要求6所述的保护电路，其中所述控制信号包括被适配成操作所述第一对开关的第一逻辑信号和被适配成操作所述第二对开关的第二逻辑信号。
8.如权利要求6所述的保护电路，其中所述第一对开关包括第一开关，所述第一开关被耦合在所述保护电路的所述输入与所述第一电荷存储元件之间；以及第二开关，所述第二开关被耦合在所述第二电荷存储元件与所述保护电路的所述输出之间；并且
其中所述第二对开关包括第三开关，所述第三开关被耦合在所述保护电路的所述输入与所述第二电荷存储元件之间；以及第四开关，所述第四开关被耦合在所述第一电荷存储元件与所述保护电路的所述输出之间。
9.如权利要求2所述的保护电路，其中所述控制器包括耦合到多个逻辑门的延时电路。
10.如权利要求2所述的保护电路，其中所述延时在约0.5微秒至约1微秒的范围内。
11.一种转换器电路，所述转换器电路包括
整流器，用于提供整流输入电压，
切换式稳压器，包括电源开关；以及
绝热地切换的电磁干扰保护电路，被耦合到所述整流器和所述切换式稳压器。
12.如权利要求11所述的转换器电路，其中所述保护电路为根据权利要求2至10所述的保护电路之任一者。
13.如权利要求12所述的转换器电路，其中所述整流器包括至少两个开关。
14.如权利要求12所述的转换器电路，其中所述保护电路包括耦合到所述第一电荷存储元件和所述第二电荷存储元件的第一对开关和耦合到所述第一电荷存储元件和所述第二电荷存储元件的第二对开关；并且其中所述第一对开关和所述第二对开关中的一个开关是所述切换式稳压器的所述电源开关。
15.一种电磁干扰保护方法，所述电磁干扰保护包括以下步骤：
提供绝热地切换的电磁干扰保护电路，所述电磁干扰保护电路包括位于用于接收整流输入电压的输入与用于连接到切换式稳压器的输出之间的第一电荷存储元件和第二电荷存储元件；其中所述保护电路可在第一模式、第二模式与第三模式之间选择性地操作；在所述第一模式中，所述第一电荷存储元件被耦合到所述输入和与所述输出去耦；在所述第二模式中，所述第二电荷存储元件被耦合到所述输入和与所述输出去耦；在所述第三模式中，所述第一电荷存储元件和所述第二电荷存储元件各自与所述输入和所述输出去耦；以及
通过在延迟时间内将所述保护电路维持处于所述第三模式中，经由所述第三模式使所述保护电路在所述第一模式与所述第二模式之间切换。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述切换式稳压器被配置来利用具有接通时间和断开时间的切换周期操作；并且其中在所述切换式稳压器的切换周期的所述断开时间期间执行在所述第一模式与所述第二模式之间切换所述保护电路。
17.如权利要求15所述的方法，其中在所述第一模式与所述第二模式之间切换所述保护电路在所述整流输入电压增加的时间段期间开始。
18.如权利要求15所述的方法，其还包括以下步骤：在所述第一模式中为所述第一电荷存储元件充电以及在所述第二模式中使所述第一电荷存储元件放电。
19.如权利要求15所述的方法，其还包括以下步骤：在所述第二模式中为所述第二电荷存储元件充电以及在所述第一模式中使所述第二电荷存储元件放电。
20.如权利要求18所述的方法，其中当所述整流输入电压达到等于跨电容器的电压的值时，开始为所述存储元件充电。
21.如权利要求15所述的方法，其还包括以下步骤：提供耦合到所述第一电荷存储元件和所述第二电荷存储元件的第一对开关和耦合到所述第一电荷存储元件和所述第二电荷存储元件的第二对开关。
22.如权利要求21所述的方法，其还包括以下步骤：生成用于控制所述第一对开关的第一逻辑信号和生成用于控制所述第二对开关的第二逻辑信号。
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