CN113765363A - 频率调制的dc-dc转换器的降emi方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本公开实施例提出了频率调制的DC‑DC转换器的降EMI方法及其装置。根据本公开实施例的方法包括：对所述频率调制的DC‑DC转换器的输入电压进行预调节，使得所述频率调制的DC‑DC转换器为了输出电压稳定而改变其操作频率实现期望的频率扩展。根据本公开实施例可以在保持频率调制的DC‑DC转换器的输出稳定的同时，扩展开关噪声频谱，降低平均EMI噪声水平。

Description

频率调制的DC-DC转换器的降EMI方法及其装置
技术领域
本公开涉及开关电源，更具体地涉及用于频率调制的转换器的降低电磁干扰(EMI)的平均值的方法及其对应的装置。
背景技术
开关电源是一种高频化电能转换装置，其主要利用功率半导体器件(如双极性晶体管、MOS管等)，通过控制电路，使电子开关器件周期性地“导通”和“关断”，让功率半导体器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现电压变换以及输出电压可调和自动稳压的功能。针对不同的开关电源拓扑，调宽式(PWM)和调频式是两种较常使用于开关电源的控制方法。
高的转换效率和低的电磁干扰(EMI)是开关电源的关键要求。
对于使用PWM控制的开关电源，一种已知的能够有效降低平均EMI噪声水平的机制是直接开关频率调制(direct switching frequency modulation)。直接开关频率调制造成PWM控制的转换器的开关频率抖动，这扩展了开关噪声的频谱，从而降低了平均EMI噪声水平。
调频式开关电源使用开关频率调制的谐振和准谐振转换器拓扑，其可以最大程度地减小功率半导体器件的开关损耗。然而，适用于PWM开关电源降低EMI噪声的直接开关频率调制不适用于开关频率调制的转换器。这将增加对EMI滤波器的要求，导致调频式开关电源需要更大的滤波器尺寸并因此造成更多的功率损耗。
因此，需要一种适用于调频式开关电源的能够降低平均EMI噪声并因此减小EMI滤波器的尺寸和损耗的有效机制。
发明内容
本公开的实施例的目的是降低调频式开关电源的平均EMI噪声。具体地，本公开的实施例提出对频率调制的转换器的输入电压进行调节，使得调节后的电压具有预定义的变化模式，然后将调节后的电压作为频率调制的转换器的输入电压。随着输入电压的变化，频率调制的转换器将根据其反馈控制环路改变其开关频率，以保持稳定的输出电压。从而，根据本公开的实施例，频率调制的转换器将在保持稳定的输出电压的同时自然地实现频率调制，从而扩展开关噪声的频谱，降低了平均EMI噪声水平。
根据本公开的第一方面，提供了一种用于频率调制的DC-DC转换器的降低电磁干扰EMI的方法。所述方法包括：对所述频率调制的DC-DC转换器的输入电压进行预调节，使得所述频率调制的DC-DC转换器为了输出电压稳定而改变其操作频率实现期望的频率扩展。在一些实施例，可以通过预调节器来执行所述预调节。
根据本公开的第二方面，提供了一种用于频率调制的DC-DC转换器的预调节器，包括：输入端，配置为接收输入电压；参考电压端，配置为接收参考电压，其中所述参考电压是变化的；转换器，配置为基于参考电压将接收的输入电压转换为输出电压，所述输出电压随着参考电压的变化而变化；输出端，配置为将所述输出电压提供为所述频率调制的DC-DC转换器的输入电压。其中，所述预调节器的输出电压的变化使得所述频率调制的DC-DC转换器为了输出电压稳定而改变其操作频率实现期望的频率扩展。
在一些实施例中，所述频率调制的DC-DC转换器可以是隔离型的。在另一些实施例中，所述频率调制的DC-DC转换器可以是非隔离型的。
在一些实施例，所述期望的频率扩展可以根据期望的电磁干扰噪声EMI的平均值降低水平来确定。
在一些实施例，所述预调节器可以被配置为：根据变化的参考电压生成变化的输出电压，以作为所述频率调制的DC-DC转换器的输入电压。
所述参考电压的变化部分称为参考调制电压。其例如可以根据下式来确定：
Vref_modulation＝fsw/Gref_DCbusGDCbus_f (1)，
其中，fsw是所述频率调制的DC-DC转换器的操作频率，GDCbus_f是所述频率调制的DC-DC转换器的从输入电压至操作频率的传递函数，Gref_DCbus是所述预调节器的从参考电压至输出电压的传递函数。
可选地，所述预调节器可以包括PWM转换器。
所述PWM转换器可以包括PWM AC-DC转换器，和/或可以包括PWM DC-DC转换器。
可选地，所述预调节器可以包括升压转换器。
可选地，所述预调节器可以包括降压转换器。
根据本公开的第三方面，提供了一种开关电源，包括：根据本公开的第二方面所述的预调节器；以及频率调制的DC-DC转换器。其中所述预调节器的输出端与所述频率调制的DC-DC转换器的输入端相连。
根据本公开的实施例，提供了一种适用于频率调制的转换器降低平均EMI噪声的方案。根据本公开实施例的调频式开关电源可以通过对频率调制的转换器的输入电压进行预调节，自然地引起对开关频率的调节，扩展了开关噪声频谱，降低了平均EMI噪声水平，因此降低了对所需的EMI滤波器的尺寸要求。
附图说明
通过下文结合附图的详细描述，本公开的上述和其它特征将会变得更加明显，其中：
图1示意性地示出了频率调制的DC-DC转换器的一个示例。
图2示意性地示出了根据本公开实施例的用于频率调制的DC-DC转换器的降低平均电磁干扰EMI的方法的流程图。
图3示意性地示出了根据本公开实施例的预调节器和其用于的频率调制的DC-DC转换器的示例。
图4示意性地示出了包括级联的升压转换器和频率调制的LLC转换器的待测结构(UUT)的示例。
图5示意性地示出了在图4的结构上应用本公开实施例的DC母线调制获得的待测结构(UUT)的示例。
图6示出了图4的待测结构的EMI测试结果图。
图7示出了参考调制电压的一个示例。
图8示出了图5的待测结构的EMI测试结果图。
在附图中，相同的附图标记指示相同或类似的要素。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本公开的方案进行详细阐述。应当注意，本公开不应局限于下文所述的具体实施方式。另外，为了简便起见，省略了对与本公开没有直接关联的公知技术的详细描述，以防止对本公开的理解造成混淆。
图1示出了频率调制的DC-DC转换器的一个示例。
如图所示，DC-DC转换器将一种直流电(输入电压)转换成另一种直流电(输出电压)，从而实现电压转换。如现有技术中已知的，图1所示的频率调制的DC-DC转换器可以是调频式开关电源使用的任一种转换器拓扑，在正常工作时，驱动信号的脉冲宽度保持恒定，通过脉冲出现的频率不同来调整输出电压与输入电压的关系。
在现有技术中，为了获得稳定的输出电压，通常需要提供稳定的输入电压。但是，输入电压的波动常常是不可避免的。为了获得稳定的输出，DC-DC转换器通常包括反馈控制环路。当输出电压发生波动时，频率调制的DC-DC转换器可以通过反馈控制环路的调整而使脉冲出现的频率发生改变，从而实现对电路的控制与调整，以稳定输出电压。
下面考虑频率调制的DC-DC转换器的EMI噪声降低问题。
如前文所述，直接开关频率调制不适用于频率调制的转换器，因为开关频率的变化会影响输出电压和输入电压的关系，使得输出电压发生抖动，这是不期望的。
与常规地为了输出电压稳定而提供稳定的输入电压不同，本公开提出对频率调制的转换器的输入电压进行预调节，使得调节后的电压具有预定义的变化模式，将调节后的具有预定义变化的电压作为频率调制的转换器的输入电压。随着输入电压的变化，频率调制的转换器将根据其反馈控制环路改变其开关频率，以保持稳定的输出电压。从而，根据本公开的实施例，通过有目的地改变输入电压，利用频率调制的DC-DC转换器固有的反馈控制功能，自然地对开关频率进行了调制，扩展了开关噪声的频谱，降低了平均EMI噪声水平。
图2示出了根据本公开实施例的用于频率调制的DC-DC转换器的降低平均电磁干扰EMI的方法200的流程图。
如图所示，在步骤S210中，获取输入电压。该输入电压可以是直流电，也可以是交流电。
在步骤S220中，对获取的输入电压进行预调节以具有预定义的变化。该预定义的变化可以根据期望的电磁干扰噪声EMI的平均值降低水平、电路设计和/或实验来确定。
在输入电压是交流电的情况下，需要将交流电转换为直流电。这种AC-DC的转换可以使用任何已知的或将来开发的AC-DC转换器来实现，在此不再赘述。本公开实施例的主要思想在于获得的直流电(其可以是步骤S210中直接获得的直流电，或者通过对步骤S210中或的交流电进行AC-DC转换得到的直流电)进行调制，以具有预定义的变化。
在步骤S230中，将调节后的电压提供作为频率调制的DC-DC转换器的输入电压。该频率调制的DC-DC转换器的输入电压具有预定义的变化，将使得该频率调制的DC-DC转换器为了输出电压稳定而改变其操作频率，从而实现期望的频率扩展。
通过方法200，可以自然地扩展频率调制的DC-DC转换器的开关噪声的频谱，降低平均EMI噪声水平。
图3示出了根据本公开实施例的预调节器300和其用于的频率调制的DC-DC转换器400。
该频率调制的DC-DC转换器400可以是图1示出的转换器的一个具体示例。
该预调节器300被配置为根据变化的参考电压生成变化的输出电压，以作为所述频率调制的DC-DC转换器的输入电压。该预调节器300可以实现图2所示的方法200。
预调节器300可以实现为一个电压转换器，包括输入端、参考电压端和输出端。
预调节300的输入端可以配置为接收输入电压。
预调节300的参考电压端可以配置为接收参考电压，其中所述参考电压包括变化的部分。
预调节器300操作为基于参考电压将接收的输入电压转换为输出电压，在图3中也称为DC母线(DC bus)电压。所述DC母线电压随着参考电压的变化而变化。
预调节300的输出端可以配置为将DC母线电压提供为频率调制的DC-DC转换器的输入电压。
预调节器300的输入端接收的输入电压可以是交流电，也可以是直流电。根据输入电压的类型不同，预调节器300将相应地选用不同的转换器。如果输入电压是交流电，则预调节器300可以选择AC-DC转换器。如果输入电压是直流电，则预调节器300可以选择DC-DC转换器。通常，预调节器300可以选择PWM转换器。
预调节器300可以使用现有的电压转换器来实现。不同之处在于，现有技术中电压转换器的参考电压端通常连接恒定的参考电压，而在本申请中作为预调节器时电压转换器的参考电压将使用具有预定义的变化的参考电压而不是恒定的电压。为了简便起见，该参考电压的变化部分在下文中也称为参考调制电压。通过控制参考电压的变化，可以控制预调节器300的输出电压(DC bus电压)根据所需的模式变化。
预调节器300与频率调制的DC-DC转换器400级联连接。该频率调制的DC-DC转换器400可以是隔离型的，也可以是非隔离型的。本公开在这方面不受限制。馈入频率调制的DC-DC转换器400的DC bus电压被控制为根据所需的模式变化，使得频率调制的DC-DC转换器400将通过改变其开关频率做出响应，以稳定输出电压并实现扩频的目的。
为了达到降低频率调制的DC-DC转换器的平均EMI噪声的目标，应考虑转换器的工作频率(即开关频率fsw)的扩频范围及其变化模式，以实现有效的平均降噪。例如，典型的传导EMI规范要求设备同时满足准峰值限制和均值限制。诸如FCC15，EN55022和Cispr 22之类的常用标准指定的均值限制比A类的准峰值限制低13dBuV，并且比B类要求的低10dBuV。在实际情况下，取决于工作条件和转换器拓扑结构，平均EMI噪声水平可以类似于准峰值水平。此外，转换器的工作频率扩频范围应大于根据EMI标准的EMI测量设备的带通滤波器的带宽，以便获得基频分量的平均噪声降低。对于FCC15和EN55022等传导EMI标准，带通滤波器的带宽为9kHz。这决定了开关频率fsw的扩频范围和变化模式。
如前所述，随着输入电压的变化，频率调制的转换器将根据其反馈控制环路改变其开关频率，以保持稳定的输出电压。频率调制的DC-DC转换器400的操作频率fsw与输入电压VDC_bus之间的关系由转换器400的拓扑决定，并且可以表示如下：
fsw＝VDC_busGDCbus_f (1)
其中，fsw是频率调制的DC-DC转换器400的操作频率，VDC_bus是频率调制的DC-DC转换器400的输入电压，GDCbus_f是频率调制的DC-DC转换器400的从输入电压至操作频率的传递函数。
在根据期望的电磁干扰噪声EMI的平均值降低水平确定了fsw的期望的扩展范围和变化样式之后，可以容易地根据公式(1)如下获得VDC_bus的变化样式：
VDC_bus＝fsw/GDCbus_f (2)。
对于给定的频率调制的DC-DC转换器400，GDCbus_f是确定的，于是可以根据期望的电磁干扰噪声EMI的平均值降低水平来确定输入电压VDC-bus的期望的变化范围和样式。
在知晓VDC-bus的期望的变化范围和样式的情况下，可以确定参考电压的期望的变化范围和样式。假定预调节器300的从参考电压至输出电压的传递函数是Gref_DCbus，则
VDC-bus＝Vref_modulationGref_DCbus (3)，
其中Vref_modulation是预调节器300的参考调制电压，VDC-bus是预调节器300的输出电压，Gref_DCbus是预调节器300的从参考电压至输出电压的传递函数。
结合公式(1)和(3)可知
fsw＝Vref_modulationGref_DCbusGDCbus_f (4)
Vref_modulation＝fsw/(Gref_DCbusGDCbus_f) (5)。
通过公式(5)，可以根据fsw的期望的扩频范围和变化模式来确定预调节器300的参考调制电压Vref_modulation的变化样式。
应该理解，本公开实施例不限制fsw，Vref_modulation的调制范围或变化样式及其确定方法。实际上，可以根据所需的EMI降噪水平、电路设计和/或甚至实验等确定它们。
图3示出的实施例通过对输入电压进行预调节，馈入频率调制的DC-DC转换器400的DC bus电压被控制为根据所需的模式变化，使得频率调制的DC-DC转换器400将通过改变其开关频率做出响应，扩展了开关噪声频谱，降低了平均EMI噪声水平，因此降低了对所需的EMI滤波器的尺寸要求。
下面通过一个实际的例子来说明本公开实施例的降低平均EMI噪声的效果。
图4示出了包括级联的升压转换器和频率调制的LLC转换器的待测结构(UUT)，其中未应用本公开实施例的DC母线调制，也即升压转换器使用的参考电压是恒定电压。此配置在包括服务器电源在内的许多应用中都很常见，其中升压转换器可以接受交流输入和直流输入。
图6示出了图4的待测结构在240VDC输入和1500W下根据EN55022A类要求的UUT输出的EMI图。图上分别示出了准峰值、准峰值负-8dB、均值和均值-8dB限制，以及测量到的准峰值迹线和测量到的均值迹线。测量结果符合EN55022 A类限制，但根据该UUT的产品规格，平均噪声水平在163kHz和272kHz左右不满足8dB裕度的要求。
作为对比，针对图4的待测结构应用本公开实施例的DC母线调制，得到图5的待测结构。图5的结构可以视为图3的结构的一个具体示例，其中预调节器300为数控的升压转换器，频率调制的DC-DC转换器400为频率调制的LLC转换器。在测试中，使用图7所示的峰-峰值10V的正弦电压作为参考调制电压来对DC母线电压进行调制。调制信号由数字控制器生成，该数字控制器通过计算来调制用于DC总线电压调制的参考电压。在与图6相同的其他输入和输出条件下，对图5的UUT进行测试得到的结果如图8所示。根据图8所示，在观察到EMI噪声频谱扩展的情况下，平均噪声水平要低得多，并且满足均值-8dB的要求，无需更改EMI滤波器。
根据图4-8示出的示例，可以看出应用本公开实施例提出的DC母线调制，可以有效地降低频率调制的DC-DC转换器的平均EMI噪声。
应该理解，图3不仅示出了根据本公开的预调节器的示例。结合图3中示出的预调节器和与其级联的DC-DC转换器，也形成了一种新型的开关电源，其具有降低的平均EMI噪声。
应当注意的是，在以上的描述中，仅以示例的方式，示出了本申请的技术方案，但并不意味着本申请局限于上述步骤和单元结构。在可能的情形下，可以根据需要对步骤和单元结构进行调整和取舍。因此，某些步骤和单元并非实施本申请的总体发明思想所必需的元素。因此，本申请所必需的技术特征仅受限于能够实现本申请的总体发明思想的最低要求，而不受以上具体实例的限制。
此外，本公开中参考调制信号可以但不限于使用微控制单元MCU、数字信号处理器、处理器、芯片和/或分立的元器件来实现。
至此已经结合优选实施例对本申请进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本申请的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (14)

1.一种用于频率调制的DC-DC转换器的降低电磁干扰EMI的方法，包括：
对所述频率调制的DC-DC转换器的输入电压进行预调节，使得所述频率调制的DC-DC转换器为了输出电压稳定而改变其操作频率实现期望的频率扩展。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述期望的频率扩展根据期望的电磁干扰噪声EMI的平均值降低水平来确定。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过预调节器来执行所述预调节，所述预调节器被配置为：根据变化的参考电压生成变化的输出电压，以作为所述频率调制的DC-DC转换器的输入电压。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述参考电压的变化部分称为参考调制电压，其根据下式来确定：
Vref_modulation＝fsw/Gref_DCbusGDCbus_f，
其中，fsw是所述频率调制的DC-DC转换器的操作频率，GDCbus_f是所述频率调制的DC-DC转换器从输入电压至操作频率的传递函数，Gref_DCbus是所述预调节器的从参考电压至输出电压的传递函数。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述频率调制的DC-DC转换器包括隔离型和非隔离型。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述预调节器包括脉冲宽度调制PWM转换器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述PWM转换器包括PWM AC-DC转换器，以及PWMDC-DC转换器。
8.一种用于频率调制的DC-DC转换器的预调节器，包括：
输入端，配置为接收输入电压；
参考电压端，配置为接收参考电压，其中所述参考电压是变化的；
转换器，配置为基于参考电压将接收的输入电压转换为输出电压，所述输出电压随着参考电压的变化而变化；
输出端，配置为将所述输出电压提供为所述频率调制的DC-DC转换器的输入电压；
其中，所述预调节器的输出电压的变化使得所述频率调制的DC-DC转换器为了输出电压稳定而改变其操作频率实现期望的频率扩展。
9.根据权利要求8所述的预调节器，其中所述参考电压的变化模式根据期望的电磁干扰噪声EMI的平均值降低水平来确定。
10.根据权利要求8或9所述的预调节器，其中变化的参考电压称为参考调制电压，其根据下式来确定：
Vref_modulation＝fsw/Gref_DCbusGDCbus_f，
其中，fsw是所述频率调制的DC-DC转换器的操作频率，GDCbus_f是所述频率调制的DC-DC转换器的从输入电压至操作频率的传递函数，Gref_DCbus是所述预调节器的从参考电压至输出电压的传递函数。
11.根据权利要求8或9所述的预调节器，其中，所述频率调制的DC-DC转换器包括隔离型和非隔离型。
12.根据权利要求8或9所述的预调节器，其中，所述预调节器包括脉冲宽度调制PWM转换器。
13.根据权利要求12所述的预调节器，其中，所述PWM转换器包括PWMAC-DC转换器，以及PWM DC-DC转换器。
14.一种开关电源，包括：
根据权利要求8～13中任一项所述的预调节器；以及
频率调制的DC-DC转换器，
其中所述预调节器的输出端与所述频率调制的DC-DC转换器的输入端相连。
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