CN111512531A - 开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明的开关电源具备包含用于使电压从输入端输入的开关元件的电压转换器，并且具有使开关元件中的开关频率在规定的变动范围内变动的频谱扩散功能。开关电源具有：频率设定部，该频率设定部设定开关频率的变动范围，在从输入端被输入的电压的值在规定的阈值以上时，使所设定的变动范围的下限值上升；以及信号发生器，该信号发生器产生控制信号，该控制信号用于使开关频率在由频率设定部所设定的变动范围内变动从而驱动开关元件。

Description

开关电源
技术领域
本发明涉及具有频谱扩散功能的开关电源。
背景技术
在开关电源中，对根据装置内所包含的开关元件(例如，晶体管)的导通截止控制而流动的电流的方向进行切换。此时，在开关电源中，产生非常大的开关噪声。开关噪声成为对外部的电磁辐射噪声，成为产生周围的电子设备中的电磁障碍的主要原因。因此，在上述开关电源中，抑制开关噪声的产生成为问题。
另外，在开关电源中，为了抑制开关噪声的产生，进行频谱扩散。频谱扩散是通过使开关频率在规定的变动范围内变动以将1个信号扩散至与多个开关频率相对应的多个信号，从而降低因噪声等主要原因而造成的对信号的影响的技术。在使开关频率在规定的变动范围内变动时，该规定的变动范围越广，则频谱扩散的效果越高，从而发挥出对开关噪声的产生进行抑制的效果。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2015-228761号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，开关频率的变动范围越广，则越有可能产生以下问题。例如，在被输入到开关电源的电压高、且开关频率低时，输出纹波电压变大。对于将从开关电源被输出的电压设为电源的装置，由于输出纹波电压的增大，可能会导致误动作或者发生破损。此外，在开关频率较高时，开关元件的开关损耗增加，因此转换效率劣化。转换效率的劣化与消耗电流的增加相关联。
本发明是考虑到这样的情况而完成的，其目的在于提供一种既可以抑制开关噪声的产生、又可以降低输出纹波电压的开关电源。
解决技术问题所采用的技术方案
为了达成上述目的，本发明的方式所涉及的开关电源以具备包含用于使电压从输入端输入的开关元件的电压转换器，并具有使所述开关元件中的开关频率在规定的变动范围内变动的频谱扩散功能为前提，并且所述开关电源具备：频率设定部，该频率设定部设定所述开关频率的变动范围，并且在从所述输入端被输入的电压的值在规定的阈值以上时，使所设定的所述变动范围的下限值上升；以及信号发生器，该信号发生器产生用于使所述开关频率在由所述频率设定部所设定的所述变动范围内变动、以驱动所述开关元件的控制信号。
从输入端被输入到电压转换器的电压越高、并且开关频率越低，则输出纹波电压变得越大。在本发明的方式中的频率设定部在从输入端被输入到电压转换器的电压的值在规定的阈值以上时，使所设定的开关频率的变动范围的下限值上升。由此，本发明的方式所涉及的开关电源可以降低输出纹波电压。
技术效果
由此，本发明的方式所涉及的开关电源既可以抑制开关噪声的产生，又可以降低输出纹波电压。
附图说明
图1是表示本实施方式所涉及的开关电源的框图。
图2是表示与在控制端子中所产生的电压相对应的开关频率的变动范围的图。
图3是表示与从输入端被输入的电压相对应的开关频率的变动范围的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式所涉及的开关电源进行说明。另外，本实施方式不限于以下所说明的内容，在不变更其主旨的范围内能任意地变更进行实施。此外，实施方式的说明中所使用的附图都是示意性示出本发明的构成构件的图，为了深入理解，存在进行局部强调、放大、缩小或省略等，以及没有准确示出构成构件的比例尺或形状等的情况。
图1是表示本实施方式所涉及的开关电源1的框图。图1所示的开关电源1具有使后文叙述的开关元件11中的开关频率在规定的变动范围内变动的频谱扩散功能。
开关电源1例如是对从具有第1正极端T1和第1负极端T2的输入端I被输入的电压(输入电压)Vin进行转换、并从具有第2正极端T3和第2负极端T4的输出端O输出的电源。将第2负极端T4接地至接地GND。此外，本实施方式所涉及的开关电源1中设置有上拉电阻R1、和控制端子T5。上拉电阻R1被连接在后文叙述的控制电路20的频率设定部24与向控制电路20提供电源电压的恒压源Vcc之间。控制端子T5被设置于该上拉电阻R1与频率设定部24之间。控制端子T5例如与接受从电压转换器10被输出的电压的供给的外部装置相连接。
图1所示的开关电源1具有电压转换器10、和控制电路20。电压转换器10转换输入电压Vin，并从输出端O输出。电压转换器10包含用于使输入电压Vin输入的开关元件11。这里，本实施方式中的电压转换器10例如为绝缘型降压转换器、非绝缘型降压转换器、绝缘型升压转换器、非绝缘型升压转换器、非绝缘型双向转换器、或绝缘型双向转换器，并具备用于构成任意的转换器的部件。
控制电路20输出用于驱动开关元件11的控制信号。本实施方式中的控制电路20例如是微机。控制电路20经由上述上拉电阻R1而与恒压源Vcc相连接。本实施方式中的控制电路20具有信号发生器21、差分放大器22、补偿器23、以及频率设定部24。
信号发生器21产生用于使上述开关元件11驱动的控制信号。从信号发生器21被输出的控制信号是以一定的周期重复导通期间、或截止期间的脉冲信号。信号发生器21例如根据由后文叙述的补偿器23所计算出的占空比，来设定每1个周期的控制信号的脉冲宽度。此时，信号发生器21使开关频率在由后文叙述的频率设定部24所设定的变动范围内进行变动。
从电压转换器10向输出端O所输出的电压(输出电压)Vout经由模拟数字转换器(A/D)25而被输入到差分放大器22。此外，差分放大器22对从输出端O被输入的输出电压Vout与从基准电压生成部26被输出的基准电压Vref之间的差分进行放大。另外，从基准电压生成部26被输出的基准电压Vref的值例如是输出电压Vout的理想输出值。
补偿器23基于由差分放大器22进行放大后的、输出电压Vout与基准电压Vref之间的差分，来计算开关元件11的控制量。换句话说，补偿器23基于输出电压Vout与基准电压Vref之间的差分，来计算用于驱动开关元件11的控制信号的占空比。补偿器23例如通过PI(比例积分)运算来计算上述占空比，以使得上述差分接近0。作为计算上述占空比以使得上述差分接近0的理由，是因为即使输入电压Vin的值发生变化，也使输出电压Vout的值为恒定。
频率设定部24设定开关元件11中的开关频率的变动范围。例如，在控制端子T5中所产生的电压Vs经由模拟数字转换器(A/D)27被输入到频率设定部24。频率设定部24根据在控制端子T5中所产生的电压Vs，设定开关频率的变动范围。这里，在本实施方式中，在控制端子T5中所产生的电压Vs的值是根据与控制端子T5相连接的外部装置中所包含的电阻R2的值、上述上拉电阻R1的值、以及恒压源Vcc的电源电压的值来计算的。
图2是表示与在控制端子T5中所产生的电压Vs相对应的开关频率的变动范围的图。图2的横轴是开关频率，图2的纵轴是在控制端子T5中所产生的电压Vs。如图2所示，频率设定部24根据在控制端子T5中所产生的电压Vs，将开关频率的变动范围设定为呈阶梯状地变宽。
例如，如图2所示，当在控制端子T5中所产生的电压Vs在电压值a及电压值b之间时，将开关频率的变动范围设为W1。此外，当在控制端子T5中所产生的电压Vs在电压值b及电压值c之间时，将开关频率的变动范围设为W2。此外，当在控制端子T5中所产生的电压Vs在电压值c及电压值d之间时，将开关频率的变动范围设为W3。此外，当在控制端子T5中所产生的电压Vs在电压值d及电压值e之间时，将开关频率的变动范围设为W4。
如图2所示，频率设定部24根据在控制端子T5中所产生的电压Vs，将开关频率的变动范围设定为呈阶梯状地变宽。这里，从控制端子T5被输入的电压的值Vs如上所述，是根据与控制端子T5相连接的外部装置中所包含的电阻R2的值、上述上拉电阻R1的值、以及恒压源Vcc的电源电压的值来计算的。换句话说，在控制端子T5中所产生的电压Vs的值根据与控制端子T5相连接的外部装置而变化。即，频率设定部24可根据与控制端子T5相连接的外部装置，来设定开关频率的变动范围。
这里，频率设定部24将规定的开关频率Fc作为中心频率，在规定的开关频率Fc的前后的同一频带的整个频带宽度中，对开关频率的变动范围进行设定。本实施方式中的频率设定部24也可以将在较高的开关频率下所产生的开关元件11的开关损耗考虑在内，从而将开关频率的变动范围设定成较低的开关频率的频带附近。
此外，频率设定部24在控制端子T5中所产生的电压Vs的值小于规定的阈值(例如，图2所示的电压值a)时，不设定开关频率的变动范围。即，在信号发生器21中，不使开关频率变动，不进行频谱扩散。作为该理由，例如，是因为装置内的其他设备的频率与开关频率的变动范围重叠，从而由于干涉而变为误动作的原因。
此外，从输入端I输入至电压转换器10的电压Vin经由模拟数字转换器(A/D)28被输入到频率设定部24。频率设定部24在从输入端I被输入到电压转换器10的电压Vin的值在规定的阈值以上时，使所设定的开关频率的变动范围的下限值上升。
图3是表示与从输入端I被输入的电压Vin相对应的开关频率的变动范围的图。这里，当在控制端子T5中所产生的电压Vs在电压值d及电压值e之间时，将开关频率的变动范围设为W4。频率设定部24在从输入端I被输入的电压Vin的值在规定的阈值(例如，图3所示的电压值x)以上时，使所设定的开关频率的变动范围W4的下限值Fmin上升。此外，频率设定部24沿着从输入端I被输入的电压Vin的值的上升，使作为基准的开关频率的变动范围W4的下限值Fmin上升。
这里，从输入端I被输入到电压转换器10的电压Vin越高、且开关频率越低，则输出纹波电压变得越大。本实施方式中的频率设定部24在从输入端I被输入到电压转换器10的电压Vin的值在规定的阈值以上时，使所设定的开关频率的变动范围的下限值上升。由此，本实施方式所涉及的开关电源1可降低输出纹波电压。
此外，在电压转换器10为绝缘型转换器的情况下，从输入端I被输入到电压转换器10的电压Vin越高、且开关频率越低，则电压转换器10所包含的变压器(trans：变压器)的磁饱和越容易发生，从而开关电源1越有可能发生破损。本实施方式中的频率设定部24在从输入端I被输入到电压转换器10的电压Vin的值在规定的阈值以上时，使所设定的开关频率的变动范围的下限值上升。由此，本实施方式所涉及的开关电源1可防止变压器的磁饱和。
(概括)
如上所述，本实施方式所涉及的开关电源1具备包含了用于使电压Vin从输入端I输入的开关元件11的电压转换器10，并且具有使开关元件11中的开关频率在规定的变动范围内变动的频谱扩散功能。开关电源1具有：频率设定部24，该频率设定部24设定开关频率的变动范围，在从输入端I被输入的电压Vin的值在规定的阈值以上时，使所设定的变动范围的下限值上升；以及信号发生器21，该信号发生器21产生控制信号，该控制信号用于使开关频率在由频率设定部24所设定的变动范围内进行变动从而驱动开关元件11。
根据上述结构，在本实施方式所涉及的开关电源1中，如图2所示，频率设定部24根据在控制端子T5中所产生的电压Vs，来将开关频率的变动范围设定为呈阶梯状地变宽。这里，在控制端子T5中所产生的电压Vs的值如上所述，是根据与控制端子T5相连接的外部装置中所包含的电阻R2的值、上述上拉电阻R1的值、以及恒压源Vcc的电源电压的值来计算的。换句话说，在控制端子T5中所产生的电压Vs的值根据与控制端子T5相连接的外部装置而变化。即，频率设定部24可根据与控制端子T5相连接的外部装置，来设定开关频率的变动范围。
此外，从输入端I被输入到电压转换器10的电压Vin越高、且开关频率越低，则输出纹波电压变得越大。本实施方式中的频率设定部24在从输入端I被输入至电压转换器10的电压Vin的值在规定的阈值以上时，使所设定的开关频率的变动范围的下限值上升。由此，本实施方式所涉及的开关电源1可降低输出纹波电压。
此外，在电压转换器10为绝缘型转换器的情况下，从输入端I被输入到电压转换器10的电压Vin越高、且开关频率越低，则电压转换器10所包含的变压器(trans：变压器)的磁饱和越容易发生，从而开关电源1越有可能发生破损。本实施方式中的频率设定部24在从输入端I被输入至电压转换器10的电压Vin的值在规定的阈值以上时，使所设定的开关频率的变动范围的下限值上升。由此，本实施方式所涉及的开关电源1可防止变压器的磁饱和。
由此，本实施方式所涉及的开关电源1既可以抑制开关噪声的产生，又可以降低输出纹波电压。
这里，频率设定部24将规定的开关频率Fc作为中心频率，在规定的开关频率Fc的前后的同一频带的整个频带宽度中，对开关频率的变动范围进行设定。本实施方式中的频率设定部24也可以将较高的开关频率中所产生的开关元件11的开关损耗考虑在内，从而将开关频率的变动范围设定成较低的开关频率的带宽附近。由此，本实施方式所涉及的开关电源1可根据装置的要求来变更规格。
另外，在上述实施方式所涉及的开关电源1中，开关频率的变动范围根据控制端子T5中所产生的电压Vs的值而变化。然而，本实施方式所涉及的开关电源1不限于此。例如，在本实施方式所涉及的开关电源1中，也可以设为不论控制端子T5中所产生的电压Vs的值为多少，开关频率的变动范围都为恒定的。
此外，在实施方式所涉及的开关电源1中，将控制端子T5中所产生的电压Vs输出到控制电路20。然而，本实施方式所涉及的开关电源1不限于此。例如，本实施方式所涉及的开关电源1也可以与外部电源相连接，并将该外部电源中所产生的任意的电压输出到控制电路20。
另外，本实施方式所涉及的开关电源1并不限于上述说明的内容，在不脱离专利权利要求书中所记载的发明的范围内，可进行各种变形。
＜本发明的第1方式＞
本发明的第1方式所涉及的开关电源具备包含用于使电压从输入端输入的开关元件的电压转换器，并具有使开关元件中的开关频率在规定的变动范围内进行变动的频谱扩散功能，该开关电源具备：频率设定部，该频率设定部设定开关频率的变动范围，并且在从输入端被输入的电压的值在规定的阈值以上时，使所设定的变动范围的下限值上升；以及信号发生器，该信号发生器产生用于使开关频率在由频率设定部所设定的变动范围内变动、以驱动开关元件的控制信号。
从输入端被输入到电压转换器的电压越高、且开关频率越低，则输出纹波电压变得越大。在本发明的第1方式中的频率设定部在从输入端被输入到电压转换器的电压的值在规定的阈值以上时，使所设定的开关频率的变动范围的下限值上升。由此，本发明的第1方式所涉及的开关电源可降低输出纹波电压。
由此，本发明的第1方式所涉及的开关电源既可以抑制开关噪声的产生，又可以降低输出纹波电压。
＜本发明的第2方式＞
本发明的第2方式所涉及的开关电源在上述本发明的第1方式所涉及的开关电源中，进一步具备：上拉电阻，该上拉电阻被连接在频率设定部与供给电源电压的恒压源之间；以及控制端子，该控制端子被设置于频率设定部与所述上拉电阻之间。本发明的第2方式所涉及的开关电源的频率设定部根据在控制端子中所产生的电压、即基于与控制端子相连接的外部装置中所包含的电阻的值、上拉电阻的值、以及电源电压的值而计算出的电压的值，来设定开关频率的变动范围。
换句话说，在控制端子中所产生的电压的值根据与控制端子相连接的外部装置而变化。即，本发明的第2方式所涉及的开关电源的频率设定部可以根据与控制端子相连接的外部装置，来设定开关频率的变动范围。
由此，本发明的第2方式所涉及的开关电源既可以抑制开关噪声的产生，又可以降低输出纹波电压。
＜本发明的第3方式＞
本发明的第3方式所涉及的开关电源的频率设定部当在上述本发明的第2方式所涉及的开关电源中在控制端子中所产生的电压的值小于规定的阈值时，不设定变动范围。即，在信号发生器中，不使开关频率变动，不进行频谱扩散。
由此，本发明的第3方式所涉及的开关电源可以防止装置内的其他设备的频率与开关频率的变动范围重叠，从而由于干涉而变成误动作的原因。
＜本发明的第4方式＞
本发明的第4方式所涉及的开关电源的频率设定部，在上述本发明的第2方式或第3方式所涉及的开关电源中，根据控制端子中所产生的电压来将开关频率的变动范围设定为呈阶梯状变宽，将被设定为呈阶梯状变宽的变动范围作为基准，在从输入端被输入的电压的值在规定的阈值以上时，使作为基准的变动范围的下限值上升。
这里，在控制端子中所产生的电压的值是根据与控制端子相连接的外部装置中所包含的电阻的值、上述上拉电阻的值、以及恒压源的电源电压的值来计算的。换句话说，在控制端子中所产生的电压的值根据与控制端子相连接的外部装置而变化。即，本发明的第4方式所涉及的开关电源的频率设定部可以根据与控制端子相连接的外部装置，来设定开关频率的变动范围。
由此，本发明的第4方式所涉及的开关电源既可以抑制开关噪声的产生，又可以降低输出纹波电压。
＜本发明的第5方式＞
本发明的第5方式所涉及的开关电源的外部装置在上述本发明的第2方式至第4方式中的任一者所涉及的开关电源中，接受从电压转换器被输出的电压的供给。
由此，本发明的第5方式所涉及的开关电源既可以抑制开关噪声的产生，又可以降低输出纹波电压。
＜本发明的第6方式＞
本发明的第6方式所涉及的开关电源的频率设定部在上述本发明的第1方式所涉及的开关电源中，根据在外部电源中所产生的任意的电压的值来设定开关频率的变动范围。
由此，本发明的第6方式所涉及的开关电源既可以抑制开关噪声的产生，又可以降低输出纹波电压。
标号说明
1 开关电源
10 电压转换器
11 开关元件
20 控制电路
21 信号发生器
22 差分放大器
23 补偿器
24 频率设定部
25、27、28 模拟数字转换器(A/D)
26 基准电压生成部
I 输入端
O 输出端
R1 上拉电阻
R2 电阻
T1 第1正极端
T2 第1负极端
T3 第2正极端
T4 第2负极端
T5 控制端子。

Claims (6)

1.一种开关电源，
该开关电源具备包含用于使电压从输入端输入的开关元件的电压转换器，并且具有使所述开关元件中的开关频率在规定的变动范围内变动的频谱扩散功能，所述开关电源的特征在于，具备：
频率设定部，该频率设定部设定所述开关频率的变动范围，并且在从所述输入端被输入的电压的值在规定的阈值以上时，使所设定的所述变动范围的下限值上升；以及
信号发生器，该信号发生器产生控制信号，该控制信号用于使所述开关频率在由所述频率设定部所设定的所述变动范围内变动，以驱动所述开关元件。
2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，
进一步具备：上拉电阻，该上拉电阻被连接于所述频率设定部与提供电源电压的恒压源之间；以及
控制端子，该控制端子被设置于所述频率设定部与所述上拉电阻之间，
所述频率设定部根据在所述控制端子中所产生的电压、即基于与所述控制端子相连接的外部装置中所包含的电阻的值、所述上拉电阻的值、以及所述电源电压的值而计算出的电压的值，来设定所述开关频率的变动范围。
3.如权利要求2所述的开关电源，其特征在于，
所述频率设定部在所述控制端子中所产生的电压的值小于规定的阈值时，不设定所述变动范围。
4.如权利要求2或3所述的开关电源，其特征在于，
所述频率设定部根据所述控制端子中所产生的电压来将所述开关频率的变动范围设定为呈阶梯状地变宽，将被设定为呈阶梯状地变宽的所述变动范围作为基准，当从所述输入端被输入的电压的值在规定的阈值以上时，使作为基准的所述变动范围的下限值上升。
5.如权利要求2至4中任一项所述的开关电源，其特征在于，
所述外部装置接受从所述电压转换器被输出的电压的供给。
6.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，
所述频率设定部根据在外部电源中所产生的任意的电压的值，来设定所述开关频率的变动范围。
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