CN110932719B - 开关电源的时钟信号切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关电源的时钟信号切换方法，包括如下步骤：通过外部中断信号是否出现和本地设定的计时器是否溢出，判断外同步信号的频率是否在设定的范围内，如是，使所述外同步信号作为时钟信号输入到开关电源控制芯片的时钟输入端作为时钟信号，产生开关驱动信号；否则，使所述时钟输入端连接的振荡电路产生设定频率的振荡信号作为时钟信号，产生开关驱动信号；其中，在每个开关周期重复进行上述步骤以确定提供到该框电源驱动芯片时钟输入端的时钟信号来源。实施本发明的开关电源的时钟信号切换方法，具有以下有益效果：其容错能力较强、可靠性较好、使用范围不会受到限制。

Description

开关电源的时钟信号切换方法
技术领域
本发明涉及电力电子学领域，更具体地说，涉及一种开关电源的时钟信号切换方法。
背景技术
开关电源相比传统电源的显著缺点就是开关噪声大，特别是多电源系统应用中。由于不同电源的频率不同，或即使频率设置相同但因开关的不同步而出现频移，将直接造成任一频点，任一时间节点，都可能出现电源噪声干扰，这将对系统中的设备如雷达的工作频域以及信号处理的时间节点产生很大的干扰，信噪比的降低直接影响整个系统的性能。所以在一些使用场景下，特别是在多电源系统设计时，要求开关电源只工作在特定频率范围内，并且实现功率电路开关同频并且同开同关，以减少电源因频率偏差以及频移而造成某些频点以及某些时间节点的电源噪声干扰。现有技术的做法是直接使用外部的时钟信号作为电源工作的时钟进而实现电源的同频及开关同步，虽然这种方式能够实现上述功能，但是存在着一定的缺陷，例如，在外部时钟信号频率因故障而超出预设范围时，可能导致电源异常工作而功能缺失甚至电源以及后级设备损坏；另外当外部时钟信号因故障而缺失时，电源将因无时钟信号而不能工作，系统因无供电而处于瘫痪状态，这就大大降低了电源模块甚至系统的可靠性、容错性。因此，现有的这种方式在整个系统上来说其容错程度较差，可靠性较差，且电源模块的使用范围受到限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述其容错程度较差，可靠性较差，且电源模块的使用范围受到限制的缺陷，提供一种容错能力较强、可靠性较好、使用范围不会受到限制的开关电源的时钟信号切换方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种开关电源的时钟信号切换方法，包括如下步骤：
A)通过外部中断信号是否出现和本地设定的计时器是否溢出，判断外同步信号的频率是否在设定的范围内，如是，执行步骤B)；否则，执行步骤C)；
B)使所述外同步信号作为时钟信号输入到开关电源控制芯片的时钟输入端作为时钟信号，产生开关驱动信号；
C)使所述外同步信号不输入到所述开关电源控制芯片的时钟输入端，使所述时钟输入端连接的振荡电路产生设定频率的振荡信号作为时钟信号，产生开关驱动信号；
其中，在每个开关周期重复进行上述步骤以确定提供到该开关电源驱动芯片时钟输入端的时钟信号来源。
更进一步地，所述步骤A)中进一步包括：
A1)定时器开始按照设定的参数工作；
A2)出现中断信号否，如是，执行下一步骤；否则，重复本步骤；
A3)中断信号是定时器溢出否，如是，跳转到步骤C)；否则执行下一步骤；
A4)判断中断信号为外部中断信号，并等待设定时间后执行下一步骤；
A5)定时器溢出标志置位否，如是，执行步骤B)；否则，执行步骤C)。
更进一步地，所述定时器设置为使能定时溢出中断，所述外同步信号由外部中断端口输入，所述外部中断端口设置为使能上升沿中断；所述定时器被设置为能够接受的外同步信号的最低频率所对应的时钟周期溢出；所述设定时间是能够接受的外同步信号的最低频率所对应的时钟周期和能够接受的外同步信号的最高频率所对应的时钟周期之差；所述定时器为微处理器的内部定时器，所述外部中断端口为所述微处理器的外部中断端口，所述定时器使用所述微处理器外接的晶体振荡器产生的脉冲信号作为时钟信号。
更进一步地，所述步骤B)中包括：
使通过耦合电容后的外同步信号能够输入到所述开关电源控制芯片的时钟输入端；
破坏在所述开关电源控制芯片的时钟输入端连接的振荡电路在所述设定频率上的振荡条件。
更进一步地，所述步骤C)中包括：
使通过耦合电容后的外同步信号接地；
使所述开关电源控制芯片的时钟输入端连接的振荡电路在所述设定频率上的振荡，该振荡信号作为时钟信号输入到所述开关电源控制芯片的时钟输入端。
更进一步地，通过在所述振荡电路中并入或不并入一个电容来实现不在所述设定频率上振荡或在所述设定频率上振荡。
更进一步地，所述设定频率包括能够接受的所述外同步信号的最低频率。
更进一步地，所述外同步信号通过一个开关RC网络连接或不连接到所述开关电源控制芯片的时钟输入端；通过对所述开关RC网络的控制，实现所述外同步信号连接或不连接到所述开关电源控制芯片的时钟输入端。
更进一步地，所述开关RC网络包括第一耦合电容、RC支路、连接开关和并联支路；所述并联支路包括并联电容和并联开关；外同步信号通过所述第一耦合电容后在通过第一电容连接在所述开关电源控制芯片的时钟输入端，所述连接开关的开关端连接在所述第一耦合电容和第一电容连接点与地之间；所述并联支路连接在所述开关电源控制芯片的时钟输入端与地之间，所述并联开关的开关端分别连接在所述并联电容一端与地上；所述连接开关和并联开关的导通和截止分别由微控制器依据所述外同步信号的频率范围输出的第一控制信号和第二控制信号控制。
更进一步地，在所述外同步信号连接到所述开关电源控制芯片的时钟输入端时，所述第一控制信号为低电平，第二控制信号为高电平；在所述外同步信号不连接到所述开关电源控制芯片的时钟输入端时，所述第一控制信号为高电平，第二控制信号为低电平。
实施本发明的开关电源的时钟信号切换方法，具有以下有益效果：由于对外接的时钟信号进行判断，确定其是否在能够接受的范围内，在能够接受的情况下开关电源控制芯片的时钟输入端使用该外接时钟信号产生驱动信号，而使得其连接的振荡电路不在设定频率上振荡；在该外接的时钟信号超出能够接受的范围时，断开外接时钟信号，而使得其连接的振荡电路在设定频率上振荡，即使用本地产生的振荡信号作为时钟信号，从而在外接时钟正常时，保证系统性能；而在外接时钟不正常时，也能够保证电源能够在设定频率(可选择，例如能够接受的时钟信号的最小频率)上工作，使得整个系统的功能能够维持；同时，这样的电源模块不管外接时钟是否存在、是否正常均能够使用，因此，其容错能力较强、可靠性较好、使用范围不会受到限制。
附图说明
图1是本发明开关电源的时钟信号切换方法实施例中的方法流程图；
图2是所述实施例中对外部时钟的判断的具体流程图；
图3是所述实施例中开关RC网络结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。
如图1所示，在本发明的一种开关电源的时钟信号切换方法及装置实施例中，该开关电源的时钟信号切换方法，包括如下步骤：
步骤S11外同步信号的周期在设定范围内否，如是，执行步骤S12，如否，执行步骤S13；在本步骤中，判断外同步信号(也就是外部输入的时钟信号)的频率或周期是否在设定的范围内，并根据判断结果选择执行后续的步骤；在本实施例中，开关电源或开关电源模块有供外部同步信号接入的端口，对于该开关电源或开关电源模块而言，该端口是否有外部同步信号输入或输入的外部同步信号的周期如何，该开关电源或开关电源模块均可以正常地、符合要求地工作，其区别仅仅在于该开关电源的开关电源控制芯片的时钟输入端上的时钟信号的来源稍有不同，在有外部同步信号输入且输入的外部同步信号的周期符合要求时，该开关电源或开关电源模块使用该外同步信号作为上述时钟输入端上的时钟信号，产生开关驱动波形，使得该开关电源或开关电源模块能够用于具有特殊要求的系统，例如雷达系统；而在没有上述外部同步信号或外部同步信号的周期不符合要求时，该开关电源或开关电源模块同样能够工作，只是此时上述时钟输入端上的时钟信号是由该端上连接的振荡电路产生的、设定频率的振荡信号，其开关驱动波形是由上述开关电源控制芯片基于上述振荡信号产生的开关驱动波形。如果此时该开关电源或开关电源模块处于上述具有特殊要求的系统中，可能会导致该系统性能的下降，但是最少能够维持系统的工作状态，也不会使得相关的部件收到损坏。
步骤S12使外同步信号输入到开关电源控制芯片作为其时钟，产生驱动信号：在本步骤中，由于判断的结构是存在外同步信号，且该外同步信号的频率或周期符合要求，因此，使所述外同步信号作为时钟信号输入到开关电源控制芯片的时钟输入端作为时钟信号，产生开关驱动信号；也就是采用外同步信号作为开关电源控制芯片的时钟信号，使得该开关电源控制芯片在该时钟信号的基础上产生开关驱动信号。具体来讲，在本实施例中，本步骤中包括使通过耦合电容后的外同步信号能够输入到所述电源控制芯片的时钟输入端；同时，还破坏在所述电源控制芯片的时钟输入端连接的振荡电路在所述设定频率上的振荡条件。换句话说，在本实施例中，本地的振荡电路和外同步信号都连接在上述开关电源控制芯片的时钟输入端口，依据步骤S11中的判断结构，使得其中一个作为时钟信号，同时，消除(使其不起作用，并不是物理意义上的消除)另外一个，从而使得上述开关电源控制芯片产生出开关驱动信号。
步骤S13使开关电源控制芯片时钟输入端连接的振荡电路产生设定频率的振荡作为其时钟，产生驱动信号：在本步骤中，该外同步信号不符合要求，于是使所述外同步信号不输入到所述开关电源控制芯片的时钟输入端，使所述时钟输入端连接的振荡电路产生设定频率的振荡信号作为时钟信号，产生开关驱动信号。具体来讲，在本实施例中，本步骤包括使通过耦合电容后的外同步信号接地；同时，使所述电源控制芯片的时钟输入端连接的振荡电路在所述设定频率上的振荡，该振荡信号作为时钟信号输入到所述电源控制芯片的时钟输入端，使得该开关电源控制芯片产生开关驱动信号。
值得一提的是，在本实施例中，在每个开关周期重复进行上述步骤以确定提供到该电源的功率电路的驱动信号的来源。
在本实施例中，通过在所述振荡电路中并入或不并入一个电容来实现不在所述设定频率上振荡或在所述设定频率上振荡；而所述设定频率包括能够接受的所述外同步信号的最低频率。
作为一个例子，图3示出了本实施例中外同步信号、微控制器和开关电源控制芯片之间的连接关系。在图3中，使用微控制器U1对外同步信号进行检测，以判断其周期或频率是否在允许的范围内，依据检测结果，该微处理器U1在其K1和K2端输出不同的控制信号，控制微处理器U1和开关电源控制芯片U2之间的部件动作，从而实现上述的不同时钟信号的切换。
具体来讲，所述外同步信号通过一个开关RC网络(图3中两个集成电路之间的部分)连接或不连接到所述电源控制芯片U2的时钟输入端；通过对所述开关RC网络的控制，实现所述外同步信号连接或不连接到所述电源控制芯片的时钟输入端。
其中，所述开关RC网络包括第一耦合电容C3、RC支路、连接开关Q1和并联支路；所述并联支路包括并联电容C2和并联开关Q2；外同步信号通过所述第一耦合电容C3后在通过第一电容C1连接在所述开关电源控制芯片的时钟输入端(RT/CT)，所述连接开关Q1的开关端连接在所述第一耦合电容C3和第一电容C1连接点与地之间；所述并联支路连接在所述开关电源控制芯片的时钟输入端与地之间，所述并联开关Q2的开关端分别连接在所述并联电容C2一端与地上；所述连接开关Q1和并联开关Q2的导通和截止分别由微控制器U1依据所述外同步信号的频率范围输出的第一控制信号(由图3中U1的K1端输出)和第二控制信号(由图3中U1的K2端输出)控制。其中，上述RC支路(在图3中，该支路包括第一电容C1、电阻R1和电阻R3)和该时钟输入端(RT/CT)的内部电路配合，形成一个RC振荡电路。在所述外同步信号连接到所述开关电源控制芯片的时钟输入端时，所述第一控制信号为低电平，第二控制信号为高电平；在所述外同步信号不连接到所述开关电源控制芯片的时钟输入端时，所述第一控制信号为高电平，第二控制信号为低电平。
图3的工作原理为：U1为微控制器，其中3脚SYN_C为时钟检测端口，该端口被设置成上升沿电平变化中断，端口K1控制Q1，端口K2控制Q2，实现时钟切换。U2为开关电源控制芯片，其中2脚RT/CT为RC时钟输入端，4脚PWM为电源功率半导体驱动信号产生端，开关驱动信号由此输出或产生。外部同步信号为SYN-S。
当微控制器U1检测到外部同步信号在正常范围时，K1变低使Q1不导通，K2变高使Q2导通，此时U2连接的振荡电路的振荡频率约为f＝k/[(R3+R1]*(C1+C2))]，其中k为常数。而能够接受的外同步信号的频率范围为f1ˉf2,并且有f<f1<f2,这样外部同步信号SYN_S将通过隔直电容C3直接传至电源控制芯片的RT/CT脚，实现外同步信号频率作为电源控制芯片的时基，PWM驱动信号的频率为外同步信号频率。
当微控制器检测到外部同步信号不在正常范围时，K1变高使Q1导通，K2变低使Q2不导通，此时外同步信号SYN_S不接入时钟输入端，U2连接的振荡电路的振荡频率为f3＝k/(R3*C1),其中k为常数，并且f3＝f1,这样开关电源控制芯片的时基为其自身振荡频率，PWM驱动信号的频率与外同步信号频率的最低值相同。
于是，无论有无外同步频率，外同步频率是否在正常范围内，开关电源的PWM频率都处于f1ˉf2范围内，当外同步信号频率处于f1ˉf2时，PWM频率与外同步信号频率保持一致，当外同步信号频率不处于f1ˉf2时，PWM频率为f1频率。
图2示出了在本实施例中对于上述外部同步信号的具体判断过程，在图2中，该过程包括：
步骤S21定时器按照设定的参数工作：定时器开始按照设定的参数工作；
步骤S22出现中断信号否，出现中断信号否，如是，执行下一步骤；否则，重复本步骤；
步骤S23中断信号是定时器溢出否，中断信号是定时器溢出否，如是，跳转到步骤C)；否则执行下一步骤；
步骤S24判断中断信号是外部中断，等待设定时间：判断中断信号为外部中断信号，并等待设定时间后执行下一步骤；
步骤S25中断信号是定时器溢出否，定时器溢出标志置位否，如是，执行步骤S12；否则，执行步骤S13。
在本实施例中，如前所述，使用一个微控制器或微处理器来实现上述功能，使用该微控制器或微处理器中的一个定时器作为上述定时器，所述定时器设置为使能定时溢出中断，所述外同步信号由外部中断端口输入，所述外部中断端口设置为使能上升沿中断。，所述定时器被设置为能够接受的外同步信号的最低频率所对应的时钟周期溢出；所述设定时间是能够接受的外同步信号的最低频率所对应的时钟周期和能够接受的外同步信号的最高频率所对应的时钟周期之差。所述定时器为微处理器的内部定时器，所述外部中断端口为所述微处理器的外部中断端口，所述定时器使用所述微处理器外接的晶体振荡器产生的脉冲信号作为时钟信号。
总体上来看，在本实施例中，外同步信号的频率范围为f1～f2,其中f1为最小同步频率限值，对应的周期为T1；f2为最大同步频率限值，对应的周期为T2。定时器设置成自动重装载模式，用低频限值所对应的周期值进行定时，即定时周期为T1，外部中断脚SYN_C设置为上升沿电平变化中断。
正常工作过程中，当进入定时器中断，说明此时的频率较低，也即低于同步频率的最小限值，这样就需要切断外部同步频率而使用本地震荡频率；而当进入外部中断时，经过△t＝T1-T2的延时后，对定时器中断标记进行判断，若定时器溢出标志置位，则认为此时外部同步频率处于限值范围内，开启外部同步信号，若无定时器溢出标志置位，则认为此时频率大于同步频率的最大限值，这样就需要切断外部同步信号而使用本地震荡频率。
在本实施例中，在微控制器使用上只需要一个定时器，一个外部中断检测脚以及两个普通IO口即可实现同步频率的检测，并且能实现外同步信号的逐周期检测，方法简单可靠，使用资源小，成本低。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种开关电源的时钟信号切换方法，其特征在于，包括如下步骤：
A)通过外部中断信号是否出现和本地设定的计时器是否溢出，判断外同步信号的频率是否在设定的范围内，如是，执行步骤B)；否则，执行步骤C)；
B)使所述外同步信号作为时钟信号输入到开关电源控制芯片的时钟输入端作为时钟信号，产生开关驱动信号；
C)使所述外同步信号不输入到所述开关电源控制芯片的时钟输入端，使所述时钟输入端连接的振荡电路产生设定频率的振荡信号作为时钟信号，产生开关驱动信号；
其中，在每个开关周期重复进行上述判断外同步信号的频率是否在设定的范围内的步骤以确定提供到该开关电源驱动芯片时钟输入端的时钟信号来源；
定时器设置为使能定时溢出中断，所述外同步信号由外部中断端口输入，所述外部中断端口设置为使能上升沿中断；所述定时器被设置为能够接受的外同步信号的最低频率所对应的时钟周期溢出；设定时间是能够接受的外同步信号的最低频率所对应的时钟周期和能够接受的外同步信号的最高频率所对应的时钟周期之差；所述定时器为微处理器的内部定时器，所述外部中断端口为所述微处理器的外部中断端口，所述定时器使用所述微处理器外接的晶体振荡器产生的脉冲信号作为时钟信号。
2.根据权利要求1所述的开关电源的时钟信号切换方法，其特征在于，所述步骤A)中进一步包括：
A1)定时器开始按照设定的参数工作；
A2)出现中断信号否，如是，执行下一步骤；否则，重复本步骤；
A3)中断信号是定时器溢出否，如是，跳转到步骤C)；否则执行下一步骤；
A4)判断中断信号为外部中断信号，并等待设定时间后执行下一步骤；
A5)定时器溢出标志置位否，如是，执行步骤B)；否则，执行步骤C)。
3.根据权利要求1所述的开关电源的时钟信号切换方法，其特征在于，所述步骤B)中包括：
使通过耦合电容后的外同步信号能够输入到所述开关电源控制芯片的时钟输入端；
破坏在所述开关电源控制芯片的时钟输入端连接的振荡电路在所述设定频率上的振荡条件。
4.根据权利要求1所述的开关电源的时钟信号切换方法，其特征在于，所述步骤C)中包括：
使通过耦合电容后的外同步信号接地；
使所述开关电源控制芯片的时钟输入端连接的振荡电路在所述设定频率上的振荡，该振荡信号作为时钟信号输入到所述开关电源控制芯片的时钟输入端。
5.根据权利要求3或4所述的开关电源的时钟信号切换方法，其特征在于，通过在所述振荡电路中并入或不并入一个电容来实现不在所述设定频率上振荡或在所述设定频率上振荡。
6.根据权利要求1所述的开关电源的时钟信号切换方法，其特征在于，所述设定频率包括能够接受的所述外同步信号的最低频率。
7.根据权利要求1所述的开关电源的时钟信号切换方法，其特征在于，所述外同步信号通过一个开关RC网络连接或不连接到所述开关电源控制芯片的时钟输入端；通过对所述开关RC网络的控制，实现所述外同步信号连接或不连接到所述开关电源控制芯片的时钟输入端。
8.根据权利要求7所述的开关电源的时钟信号切换方法，其特征在于，所述开关RC网络包括第一耦合电容、RC支路、连接开关和并联支路；所述并联支路包括并联电容和并联开关；外同步信号通过所述第一耦合电容后在通过第一电容连接在所述开关电源控制芯片的时钟输入端，所述连接开关的开关端连接在所述第一耦合电容和第一电容连接点与地之间；所述并联支路连接在所述开关电源控制芯片的时钟输入端与地之间，所述并联开关的开关端分别连接在所述并联电容一端与地上；所述连接开关和并联开关的导通和截止分别由微控制器依据所述外同步信号的频率范围输出的第一控制信号和第二控制信号控制。
9.根据权利要求8所述的开关电源的时钟信号切换方法，其特征在于，在所述外同步信号连接到所述开关电源控制芯片的时钟输入端时，所述第一控制信号为低电平，第二控制信号为高电平；在所述外同步信号不连接到所述开关电源控制芯片的时钟输入端时，所述第一控制信号为高电平，第二控制信号为低电平。
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