CN107896060A - 反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电源电路领域，尤其涉及一种反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构及其方法，其中电路结构包括具有电源芯片的开关电源电路，所述的开关电源电路的输出端和负载端之间串联有一调压电阻，所述的调压电阻与开关电源电路之间串联有储能电感，且调压电阻靠近负载端的一侧与储能电感之间连接有能够控制储能电感有效储能值的调节电路。本发明的优点在于，通过平衡轻载和重载时的电感值有效解决电感啸叫的问题。
Description
技术领域
本发明属于电源电路领域，尤其涉及一种反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构及其方法。
背景技术
电感啸叫是指在开关电源电路等一些电路中出现电感发出高频微小的兹鸣声的现象，由于很多电子产品都应用了这一类电路，所以这种现象发生在很多电子产品中，它使本来静音工作的产器出现了轻微响声，严重影响了用户的静音环境。
为了解决上述技术问题，人们进行了长期的探索，例如中国专利公开了一种无啸叫行线性电感及其减震方法[申请号：CN200610061924.8]，其中，无啸叫行线性电感包括磁钢和底座，还包括减震物，垫设于所述磁钢与底座之间。减震方法包括，在行线性电感的磁钢与底座之间，增设弹性物，吸收电感线圈所产生的动量，降低或消除该动量所引起的电感震动。
此外，中国专利还公开了一种调节电源电压的方法及装置[申请号：CN200710145380.8]，装置包括:电流源模块、控制电路模块、转换模块和被充电模块，所述电流源模块，用于产生电流；所述控制电路模块，用于根据发送间隔时间发送开关信号；所述转换模块，用于根据所述开关信号，将所述电流斩波成脉冲电流；所述被充电模块，用于通过所述脉冲电流对所述被充电模块充放电，形成输出电压。方法包括:产生电流；根据发送间隔时间发送开关信号；根据所述开关信号，将所述电流斩波成脉冲电流，所述脉冲电流对电容进行充放电，形成输出电压。
上述两个方案从不同的角度大大减弱了电感啸叫的问题，但是，后者方案采用被充电模块代替LC滤波器，存在结构复杂等问题，前者方案从改进电感结构的方式解决电感啸叫问题，虽然一定程度上改善了性能，但是没有从根本上解决电感啸叫的问题，仍然存在改进空间。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种结构简单、效果明显的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构；
本方案的另一目的是提供一种基于上述反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构的反馈调节电感解决电感啸叫的方法。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
本发明的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构，包括具有电源芯片的开关电源电路，所述的开关电源电路的输出端和负载端之间串联有一调压电阻，所述的调压电阻与开关电源电路之间串联有储能电感，且调压电阻靠近负载端的一侧与储能电感之间连接有能够根据负载端电压控制储能电感有效储能值的调节电路，使重载时的有效储能值大于轻载时的有效储能值。
通过上述技术方案，采用调节电路对储能电感有效值进行控制控制解决电感啸叫的问题。
在上述的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构中，所述的储能电感包括两个相互串联的分电感，所述的调节电路与其中一个分电感相连并根据负载电压的大小将该分电感导通或短路。
在上述的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构中，所述的调节电路包括一第三MOS管，所述的第三MOS管的栅极通过一比较电路连接于调压电阻靠近负载端的一侧，且该比较电路能够根据对负载电压与参考电压的比较结果控制该第三MOS管导通或关断，所述的第三MOS管的漏极和源极分别连接在与其相连的分电感的两端。
在上述的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构中，所述的比较电路包括一比较器，所述的比较器的输出端连接于第三MOS管的栅极，所述的比较器的正负极的其中一极连接于参考电压，另一极连接于调压电阻靠近负载端的一侧。
在上述的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构中，所述的开关电源电路包括具有第一门引脚、第二门引脚的电源芯片，所述的第一门引脚处连接于第一MOS管的栅极，所述的第二门引脚处连接于第二MOS管的栅极，第一MOS管的输入端连接有输入电压，输出端通过储能电感连接于调压电阻；第二MOS管的输入端连接于第一MOS管的输出端，第二MOS管的输出端接地且通过一稳压电容连接于储能电感与调压电阻的公共端。
在上述的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构中，所述的参考电压的电压值设置为介于负载端重载时的重负载电压和轻载时的轻负载电压之间的任意值；所述的第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管均为NMOS管，所述的比较器的负极连接于参考电压，比较器的正极连接于调压电阻靠近负载端的一侧。
在上述的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构中，所述的调压电阻为一阻值为0.01Ω～1Ω的低阻值电阻。
一种反馈调节电感解决电感啸叫的方法，包括以下步骤：
S1：调压电阻调压：当负载电流增大时调压电阻上的电压降增大，负载电压降低；反之，当负载电流减小时，负载电压增大；
S2:调节有效储能值：电压比较器根据对负载电压与参考电压的比较结果控制有效储能值的大小，使重载时的有效储能值相对于轻载时的有效储能值大。
在上述的反馈调节电感解决电感啸叫的方法中，在步骤S1中，当负载为轻载时负载电流增大，当负载为重载时负载电流减小。
在上述的反馈调节电感解决电感啸叫的方法中，在步骤S2中，比较器通过控制第三MOS管的通断控制两个相互串联的分电感中的其中一个被短路或导通以调节有效储能值的大小。
本发明相较于现有技术具有以下优点：1、结构简单；2、节约能源；3、有效解决电感啸叫的问题。
附图说明
图1是开关电源原理图；
图2是开关电源在SW处的PWM方波图；
图3是开关电源在大电流时SW处的PWM方波图；
图4是本发明的电路原理图。
附图标记：第一门引脚gate1；第二门引脚gate2；第一MOS管Q1；第二MOS管Q2；输入电压Uin；输出端Uout；第一分电感L；第二分电感L1；电容C；负载端Vload；调压电阻R；比较器U1；第三MOS管Q3；参考电压Vref。
具体实施方式
本发明的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构及其方法主要应用于开关电源领域，解决了现有技术中电感储能值固定不变导致存在性能不稳定或出现电感啸叫问题等缺点，以下是本发明的优选实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明不限于这些实施例。
实施例一
图1所示的为现有技术的开关电源，其包括具有第一门引脚gate1、第二门引脚gate2的电源芯片，第一门引脚gate1和第二门引脚gate2处分别连接了第一MOS管Q1的栅极和第二MOS管Q2的栅极，门引脚输出的是PWM波形，该PWM电压波用来控制第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的导通和关断，具体地，第一MOS管Q1的输入端连接有输入电压Uin，输出端通过一电感L连接于调压电阻R，该电感L为储能电感；第二MOS管Q2的输入端连接于第一MOS管Q1的输出端，第二MOS管Q2的输出端接地且通过一稳压电容C连接于电感L与调压电阻R的公共端，稳压电容C为滤波稳压电容，用作稳定输出端Uout的输出电压。
本实施例的第一MOS管Q1和第二MOS管Q2均为NMOS管。
由于开关电源电压转换的原理是利用第一MOS管Q1打开时向电感L充电，第二MOS管Q2打开时电感L储存的磁场能转换为续流的电能达到转换电压的目的，图1中SW处的波形便呈现出如图2所示的PWM方波，高电平时SW处的电能向电感L充电储能，低电平时电感L放电。轻载时，即电流较小时，PWM中的高电平持续时间短，当后端负载要求电流增大时，一个PWM周期中的高电平的持续时间就会增大，会出现如图3所示的PWM方波。当电流继续增大到一定程度时，PWM中低电平的间隔会非常小，这时会因为NMOS的开关时延造成PWM周期性地丢掉PWM中的低电平阶段，当这个丢低电平的周期落入音频范围，就会使电感的线圈产生可听到的振动啸叫。
在现有技术的DC-DC电路中，很多设计者往往选用一颗感值比理论值大的电感用作储能转换，这样做的目的是让储能电感因感值大而可以存储更多的能量，同时电感感值大，磁场能向电场能转化所需要的时间更长，因而重载，即电流需求大时SW处PWM的高电平持续时间会比用小感值电感时短，高电平与低电平的持续时间就会相对稳定，也就不容易出现周期性丢低电平的情况，电感啸叫也就会得到抑制。
但选用感值较大的电感带来的问题是，开关电源输出电流的动态响应会变差，因为电感感值变大，电感中磁能转化为电能的速度就会变慢，因而当开关电源后端的负载电流变化较大时，开关电源的输出电流就会跟不上系统需求的电流，这样就会影响系统稳定性，严重时甚至会导致系统关机。
为此，本实施例公开了一种反馈调节电感解决电感啸叫的方法，包括以下步骤：
S1：调压电阻R调压：当负载电流增大时调压电阻R上的电压降增大，负载电压降低；反之，当负载电流减小时，负载电压增大；
S2:调节有效储能值：电压比较器U1根据对负载电压与参考电压Vref的比较结果控制有效储能值的大小，使重载时的有效储能值大于轻载时的有效储能。
其中，在步骤S1中，当负载为轻载时负载电流增大，当负载为重载时负载电流减小；在步骤S2中，比较器U1通过控制第三MOS管Q3的通断控制两个相互串联的分电感中的其中一个被短路或导通以调节有效储能值的大小。
如图4所示，本实施例还公开了一种反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构，上述反馈调节电感解决电感啸叫的方法基于该电路结构完成，本电路结构包括上述的开关电源电路，具体地，开关电源电路的输出端Uout和负载端Vload之间串联有一调压电阻R，且调压电阻R与开关电源电路之间串联有储能电感，且调压电阻R靠近负载端Vload的一侧与储能电感之间连接有能够根据负载端电压控制储能电感有效储能值的调节电路。
具体地，储能电感包括两个相互串联的分电感，分别为第一分电感L和第二分电感L1，调节电路与第二分电感L1相连并根据负载电压的大小将该第二分电感L1导通或短路，这里的第一分电感L为电源电路原有的电感，第二分电感L1为本发明加入的电感。
进一步地，调节电路包括一第三MOS管Q3，第三MOS管Q3的栅极通过一比较电路连接于调压电阻R靠近负载端Vload的一侧，且该比较电路能够根据对负载电压与参考电压Vref的比较结果控制该第三MOS管Q3导通或关断，第三MOS管Q3的漏极和源极分别连接在与其相连的分电感的两端。
具体地，比较电路包括一比较器U1，比较器U1的输出端连接于第三MOS管Q3的栅极，且这里的第三MOS管Q3为NMOS管，MOS管的栅极控制源极和漏极间的电流，MOS导通后源极和漏极之间形成沟道，电流可以在沟道中流动，NMOS管电流的流向是漏极流向源极，由于本实施例的MOS管均采用的是NMOS管，所以本实施例各MOS管的输入端为漏极，输出端为源极，NMOS管的特性：Vgs大于一定的值就能够导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)。
本实施例中，比较器U1的正极连接于调压电阻R靠近负载端Vload的一侧，比较器U1的负极连接于参考电压Vref。
优选地，本实施例的参考电压Vref的电压值设置为负载端重载时的重负载电压和轻载时的轻负载电压的平均值，假设轻载时负载电压为V1，重载时负载电压为V2，那么这个参考电压Vref＝(V1+V2)/2，这样V1、V2、Vref的大小关系就是V1>Vref>V2，根据比较器原理，轻载时比较器U1就会输出高电平到第三MOS管Q3的门极，从面导通了第三MOS管Q3，将第二分电感L1短路，此时开关电源的储能电感只有第一分电感L；相反重载时，比较器U1就会输出低电平到第三MOS管Q3的栅极，第三MOS管Q3不导通，第一分电感L和第二分电感L1串联，此时，开关电源的储能电感就等于L+L1的值。
这里的第一分电感L和第二分电感L1的感值可以相同也可以不同，具体根据实际调试确定感值。
优选地，调压电阻R选用一阻值为0.01Ω～1Ω的低阻值电阻，由于调压电阻R的阻值一定，当负载电流增大时，调压电阻R上的电压降就会增大，负载端Vload的电压也会随之降低，反之，当负载电流减小，调压电阻R上的电压降就会减小，负载端Vload的电压也会随之增加。
由上述可知，该电路结构轻载时，电路的电感值就是第一分电感L的电感值，重载时，电路的电杆就是第一分电感L和第二分电感L1的感值和L+L1，因而实现了重载时电感值大，避免电感啸叫，轻载时电感值小，不影响电路的动态响应。
实施例二
本实施例与实施例一类似，不同之处在于，本实施例的第三MOS管均采用PMOS管，PMOS管的栅极同样控制源极和漏极间的电流，PMOS导通后源极和漏极之间形成沟道，电流可以在沟道中流动，与NMOS管不同的是，PMOS管的电流流向是源极流向漏极，由于本实施例的MOS管均采用的是PMOS管，所以本实施例各MOS管的输入端为源极，输出端为漏极，为了适应于PMOS管，本实施例的比较器U1的正极连接于参考电压Vref，比较器U1的负极连接于调压电阻R靠近负载端Vload的一侧。
PMOS管的特性：Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。
优选地，本实施例的参考电压Vref的电压值设置为负载端重载时的重负载电压和轻载时的轻负载电压的平均值，假设轻载时负载电压为V1，重载时负载电压为V2，那么这个参考电压Vref＝(V1+V2)/2，这样V1、V2、Vref的大小关系就是V1>Vref>V2，根据比较器原理，轻载时比较器U1就会输出低电平到第三MOS管Q3的门极，从面导通了第三MOS管Q3，将第二分电感L1短路，此时开关电源的储能电感只有第一分电感L；相反重载时，比较器U1就会输出高电平到第三MOS管Q3的栅极，第三MOS管Q3不导通，第一分电感L和第二分电感L1串联，此时，开关电源的储能电感就等于L+L1的值。
虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS MOS管的特性，所以实施例一是本发明的较佳实施方式。
本发明通过在传统的开关电源电路中添加调压电阻和附加电感的方式，通过比较器对负载电压与参考电压进行比较输出反馈信号来将附加电感短路或使其导通，从而实现自如根据负载端的负载情况调节电感值的目的，避免重载时出现电感啸叫的问题，轻载时影响电路的动态响应问题。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了第一门引脚gate1；第二门引脚gate2；第一MOS管Q1；第二MOS管Q2；输入电压Uin；输出端Uout；电感L；电容C；负载端Vload；调压电阻R；比较器U1；第三MOS管Q3；参考电压Vref等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (10)
1.一种反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构，包括具有电源芯片的开关电源电路，其特征在于，所述的开关电源电路的输出端(Uout)和负载端(Vload)之间串联有一调压电阻(R)，所述的调压电阻(R)与开关电源电路之间串联有储能电感，且调压电阻(R)靠近负载端(Vload)的一侧与储能电感之间连接有能够根据负载端(Vload)电压控制储能电感有效储能值的调节电路，使重载时的有效储能值大于轻载时的有效储能值。
2.根据权利要1求所述的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构，其特征在于，所述的储能电感包括两个相互串联的分电感，所述的调节电路与其中一个分电感相连并根据负载电压的大小将该分电感导通或短路。
3.根据权利要2求所述的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构，其特征在于，所述的调节电路包括一第三MOS管(Q3)，所述的第三MOS管(Q3)的栅极通过一比较电路连接于调压电阻(R)靠近负载端(Vload)的一侧，且该比较电路能够根据对负载电压与参考电压(Vref)的比较结果控制该第三MOS管(Q3)导通或关断，所述的第三MOS管(Q3)的漏极和源极分别连接在与其相连的分电感的两端。
4.根据权利要求3所述的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构，其特征在于，所述的比较电路包括一比较器(U1)，所述的比较器(U1)的输出端连接于第三MOS管(Q3)的栅极，所述的比较器(U1)的正负极的其中一极连接于参考电压(Vref)，另一极连接于调压电阻(R)靠近负载端(Vload)的一侧。
5.根据权利要求4所述的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构，其特征在于，所述的开关电源电路包括具有第一门引脚(gate1)、第二门引脚(gate2)的电源芯片，所述的第一门引脚(gate1)处连接于第一MOS管(Q1)的栅极，所述的第二门引脚(gate2)处连接于第二MOS管(Q2)的栅极，第一MOS管(Q1)的输入端连接有输入电压(Uin)，输出端通过储能电感连接于调压电阻(R)；第二MOS管(Q2)的输入端连接于第一MOS管(Q1)的输出端，第二MOS管(Q2)的输出端接地且通过一稳压电容(C)连接于储能电感与调压电阻(R)的公共端。
6.根据权利要求5所述的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构，其特征在于，所述的参考电压(Vref)的电压值设置为介于负载端(Vload)重载时的重负载电压和轻载时的轻负载电压之间的任意值；所述的第一MOS管(Q1)、第二MOS管(Q2)和第三MOS管(Q3)均为NMOS管，所述的比较器(U1)的负极连接于参考电压(Vref)，比较器(U1)的正极连接于调压电阻(R)靠近负载端(Vload)的一侧。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的反馈调节电感解决电感啸叫的电路结构，其特征在于，所述的调压电阻(R)为一阻值为0.01Ω～1Ω的低阻值电阻。
8.一种反馈调节电感解决电感啸叫的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：调压电阻(R)调压：当负载电流增大时调压电阻(R)上的电压降增大，负载电压降低；反之，当负载电流减小时，负载电压增大；
S2:调节有效储能值：电压比较器(U1)根据对负载电压与参考电压(Vref)的比较结果控制有效储能值的大小，，使重载时的有效储能值相对于轻载时的有效储能值大。
9.根据权利要求8所述的反馈调节电感解决电感啸叫的方法，其特征在于，在步骤S1中，当负载为轻载时负载电流增大，当负载为重载时负载电流减小。
10.根据权利要求8或9所述的反馈调节电感解决电感啸叫的方法，其特征在于，在步骤S2中，比较器(U1)通过控制第三MOS管(Q3)的通断控制两个相互串联的分电感中的其中一个被短路或导通以调节有效储能值的大小。
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