CN114172389A - 可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路、方法及开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路、方法及开关电源，该电路是一种能集成在芯片中、简单易实现的降低开关电源EMI的电路。该电路在原有电路的基础上增加可变电流源模块和随机信号产生模块，随机信号产生模块产生N路随机方波，用于可变电流源模块和恒定电流源I1产生N+1种可变电流，从而产生不同的频率，将开关频率处的谐振尖峰消除掉，从而降低因开关产生的电磁干扰。

Description

可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路、方法及开关电源
技术领域
本发明涉及开关电源电路，具体涉及一种可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路、方法及开关电源。
背景技术
开关电源将外接交流电转换成稳定的直流电以供给负载，开关电源用于电视、收音机、机顶盒等充电器时，一般均需要通过EMI(电磁干扰)认证。图1所示为现有COT(Constant-On-Time,恒定导通时间)控制的buck电路(降压式变换电路)，虽然COT控制具有较好的瞬态响应和负载调节率，但是，该电路的EMI还是存在开关频率处的谐波分量太大，无法在EMI要求比较严格下的条件下使用。
发明内容
为了降低开关电源的电磁干扰，本发明提供了一种可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路、方法及开关电源，该电路是一种能集成在芯片中、简单易实现的降低开关电源EMI的电路。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路，包括恒定电流源I1、充电管M3、放电管M4、电容C1和比较单元；所述充电管M3的源极与恒定电流源I1的输出端连接，漏极与电容C1的一端连接，栅极接开关信号Driver；所述比较单元的输入端与电容C1的一端连接；所述电容C1的另一端接地；所述放电管M4的漏极与电容C1的一端连接，源极接地，栅极与比较单元的输出端连接；
其特殊之处在于：还包括可变电流源模块和随机信号产生模块；所述可变电流源模块包括N路可变电流源单元，N为大于1的整数；所述可变电流源单元包括开关管和电流源I2，N路电流源I2的电流之和小于恒定电流源I1的电流；所述电流源I2的输出端与开关管的源极连接，所述开关管的漏极与电容C1的一端连接；所述随机信号产生模块包括随机方波产生器、具有N个输出端的移位寄存器和N个与门，所述随机方波产生器的输出端连接移位寄存器的输入端，移位寄存器的N个输出端分别与N个与门的一输入端连接；N个与门的另一输入端分别接开关信号Driver，N个与门的输出端分别与N个开关管的栅极一一对应连接，用于控制N个开关管的各自导通。
进一步地，N路电流源I2的电流之和为恒定电流源I1的10％～20％。
进一步地，所述充电管M3为PMOS型开关管，所述放电管M4为NMOS型开关管。
本发明还提供一种可降低开关电源电磁干扰的Ton计时方法，包括以下步骤：
步骤一、随机方波产生器产生的一路随机方波通过移位寄存器生成N路随机方波，且随机方波的频率大于电源的开关频率，N为大于1的整数；
步骤二、将所产生的N路随机方波分别与开关信号Driver进行与运算；
步骤三、N个运算结果分别控制N个可变电流源单元的导通或关断；所述N个可变电流源单元的输出电流相等，且N路电流源I2的电流之和小于恒定电流源I1的电流；
步骤四、N个可变电流源单元中所有导通的可变电流源单元，以及在开关信号Driver控制下导通的恒定电流源I1，共同向电容C1充电；
步骤五、当电容C1的电位达到比较单元内的比较阈值时，比较单元产生一个窄脉冲信号Ton_dis，该窄脉冲信号Ton_dis控制放电管M4对电容C1放电。
同时，本发明还提供另一种可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路，包括恒定电流源I1、充电管M3、放电管M4、电容C1和比较单元；所述充电管M3的源极与恒定电流源I1的输出端连接，漏极与电容C1的一端连接，栅极接开关信号Driver；所述比较单元的输入端与电容C1的一端连接；所述电容C1的另一端接地；所述放电管M4的漏极与电容C1的一端连接，源极接地，栅极与比较单元的输出端连接；
其特殊之处在于：还包括可变电流源模块和随机信号产生模块；所述可变电流源模块包括一路可变电流源单元；所述可变电流源单元包括开关管和电流源I2；所述电流源I2的电流小于恒定电流源I1的电流；所述电流源I2的输出端与开关管的源极连接，所述开关管的漏极与电容C1的一端连接；所述随机信号产生模块包括随机方波产生器和与门，所述随机方波产生器与与门的一输入端连接，与门的另一输入端接开关信号Driver，与门的输出端与开关管的栅极连接，用于控制开关管导通。
进一步地，所述电流源I2电流为恒定电流源I1的10％～20％。
进一步地，所述充电管M3为PMOS型开关管，所述放电管M4为NMOS型开关管。
同时，本发明还提供另一种可降低开关电源电磁干扰的Ton计时方法，包括以下步骤：
步骤一、随机方波产生器产生一路随机方波；
步骤二、将所产生的一位方波与开关信号Driver进行与运算；
步骤三、运算结果控制可变电流源模块的导通或关断；所述电流源I2的电流小于恒定电流源I1的电流；
步骤四、可变电流源模块关断时，恒定电流源I1向电容C1充电；可变电流源模块导通时，可变电流源模块和恒定电流源I1共同向电容C1充电；
步骤五、当电容C1的电位达到比较单元内的比较阈值时，比较单元产生一个窄脉冲信号Ton_dis，该窄脉冲信号Ton_dis控制放电管M4对电容C1放电。
此外，本发明还提供一种基于COT控制的低电磁干扰开关电源，包括依次连接的开关模块、LC模块、采样模块、反馈模块和Ton计时模块；所述Ton计时模块采用权利要求1至3任一所述的可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路，或者，所述Ton计时模块采用权利要求5至7任一所述的可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路；所述反馈模块用于产生开关信号Driver的开启沿：fb_comp；所述Ton计时模块用于产生开关信号Driver的关闭沿：Ton_dis；所述反馈模块和Ton计时模块共同作用产生Driver信号。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明在原有电路的基础上增加可变电流源模块和随机信号产生模块，随机信号产生模块产生N路随机方波，用于可变电流源模块和恒定电流源I1产生N+1种可变电流，从而产生不同的频率，将开关频率处的谐振尖峰消除掉，从而降低因开关产生的电磁干扰。
2.本发明电路是一种能集成在芯片中、简单易实现的降低开关电源EMI的电路，该电路无需采用外围无源器件的传统方法，降低了开关电源EMI。
附图说明
图1为传统Ton计时电路的示意图；
图2为本发明实施例二中可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路示意图；
图3本发明实施例三中基于COT控制的低电磁干扰开关电源示意图；
图4为本发明带降EMI功能的COT与传统COT输出电压EMI对比示意图；
图5为本发明带降EMI功能COT控制的负载切换波形示意图；
图6为本发明带降EMI功能的Ton计时电路计时效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明提出一种能集成在芯片中、简单易实现的降低开关电源EMI的电路，该电路无需采用外围无源器件的传统方法即可降低开关电源EMI。本发明与传统Ton计时电路的区别，在原有电路的基础上增加可变电流源模块和随机信号产生模块，随机信号产生模块产生N路随机方波，用于可变电流源模块和恒定电流源I1产生N+1种可变电流，从而产生不同的频率，将开关频率处的谐振尖峰消除掉，从而降低因开关产生的电磁干扰。
本发明提供的可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路包括恒定电流源I1、充电管M3、放电管M4、电容C1、比较单元、可变电流源模块和随机信号产生模块；充电管M3的源极与恒定电流源I1的输出端连接，漏极与电容C1的一端连接，栅极接开关信号Driver；比较单元的输入端与电容C1的一端连接；电容C1的另一端接地；放电管M4的漏极与电容C1的一端连接，源极接地，栅极与比较单元的输出端连接；可变电流源模块包括N路可变电流源单元，N为大于等于1的整数；可变电流源单元包括开关管和电流源I2，N路电流源I2的电流之和小于恒定电流源I1的电流；电流源I2的输出端与开关管的源极连接，开关管的漏极与电容C1的一端连接；随机信号产生模块包括随机方波产生器、移位寄存器和N个与门，当电流源I2为一个时，则无需设置移位寄存器，随机方波产生器直接与与门的一输入端连接；当电流源I2为多个时，随机方波产生器通过N个移位寄存器分别与N个与门的一输入端连接；N个与门的另一输入端分别接开关信号Driver，N个与门的输出端分别与N个开关管的栅极一一对应连接，用于控制N个开关管的各自导通。电流源I2是N路，则通过N个开关管的开通关断组合可以组合产生N+1种可变电流。
本发明N路可变电流源电流之和为恒定电流源I1的10％～20％，由仿真结果得知，这样的比例降EMI的效果最佳，同时，上述充电管M3具体可采用PMOS型开关管，放电管M4具体可采用NMOS型开关管。
该电路的工作原理：充电管M3输入Driver信号，当充电管M3打开时，恒定电流源I1和可变电流源模块对电容C1充电，且恒定电流源I1每次充电电流大小相等，可变电流源模块的充电电流大小可变，与随机信号一样随机变化；当电容C1上电位达到比较单元内的比较阈值时，比较单元产生一个窄脉冲信号Ton_dis，用Ton_dis控制放电管M4对电容C1放电，等下一个周期充电管M3打开时，再进行Ton的计时，这样每个周期的Ton会不同，应用在COT控制的BUCK电路中产生不同的频率，在频谱上的观察，就可以将开关频率处的谐振尖峰消除掉，从而降低因开关产生的EMI。
实施例一
本实施例提供的可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路包括恒定电流源I1、充电管M3、放电管M4、电容C1、比较单元、可变电流源模块和随机信号产生模块；充电管M3的源极与恒定电流源I1的输出端连接，漏极与电容C1的一端连接，栅极接开关信号Driver；比较单元的输入端与电容C1的一端连接；电容C1的另一端接地；放电管M4的漏极与电容C1的一端连接，源极接地，栅极与比较单元的输出端连接；上述可变电流源模块包括一路可变电流源单元；可变电流源单元包括开关管和电流源I2；电流源I2的电流小于恒定电流源I1的电流。电流源I2的输出端与开关管的源极连接，开关管的漏极与电容C1的一端连接；随机信号产生模块包括随机方波产生器和与门，随机方波产生器与与门的一输入端连接，与门的另一输入端接开关信号Driver，与门的输出端与开关管的栅极连接，用于控制开关管导通。
该实施例中的可变电流源单元为一路，假如1路电流为I2，则有0、1*I2、2种可变电流。在该实施例中，电流源I2电流为恒定电流源I1的10％～20％，充电管M3具体可采用PMOS型开关管，放电管M4具体可采用NMOS型开关管。
同时，该实施例还提供一种可降低开关电源电磁干扰的Ton计时方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、随机方波产生器产生一路随机方波；
步骤二、将所产生的一路方波与开关信号Driver进行与运算；
步骤三、运算结果控制可变电流源模块的导通或关断；电流源I2的电流小于恒定电流源I1的电流；
步骤四、可变电流源模块关断时，恒定电流源I1向电容C1充电；可变电流源模块导通时，可变电流源模块和恒定电流源I1共同向电容C1充电；
步骤五、当电容C1的电位达到比较单元内的比较阈值时，比较单元产生一个窄脉冲信号Ton_dis，该窄脉冲信号Ton_dis控制放电管M4对电容C1放电。
实施例二
如图2所示，该实施例提供的可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路包括恒定电流源I1、充电管M3、放电管M4、电容C1、比较单元、可变电流源模块和随机信号产生模块；充电管M3的源极与恒定电流源I1的输出端连接，漏极与电容C1的一端连接，栅极接开关信号Driver；比较单元的输入端与电容C1的一端连接；电容C1的另一端接地；放电管M4的漏极与电容C1的一端连接，源极接地，栅极与比较单元的输出端连接。
该实施例中的可变电流源模块包括三路可变电流源单元，每一路可变电流源单元包括开关管和电流源I2；三路电流源I2的电流之和小于恒定电流源I1的电流；电流源I2的输出端与开关管的源极连接，开关管的漏极与电容C1的一端连接；随机信号产生模块包括随机方波产生器、具有三个输出端的移位寄存器和三个与门，所述随机方波产生器的输出端连接移位寄存器的输入端，移位寄存器的三个输出端分别与三个与门的一输入端连接；三个与门的另一输入端分别接开关信号Driver，三个与门的输出端分别与三个开关管的栅极一一对应连接，用于控制N个开关管的各自导通。
随机信号产生模块的原理：通过随机方波产生器，产生一路任意随机方波(随机方波的频率>电源的开关频率)，通过移位寄存器转化为N路随机方波。为了确保Ton计时只在上管M1打开期间有效，所以将开关信号Driver分别与移位寄存器的输出相与，产生信号S51、S61、S71，去控制可变电流源中开关管的开通与关断。
本实施例电路中，3路相等的电流源I2用3个开关管控制，根据开关管开通关断组合，即可产生4种可变的电流，即3路全关、只开任何一路、只开任何两路、三路全开，假如1路电流为I2，则有0、1×I2、2×I2、3×I2共4种可变电流。通过随机方波产生器产生一路随机方波，再将一路随机信号通过移位寄存器产生3位随机方波，根据可变电流源中电流源的路数决定。为了确保Ton计时只在上管打开期间有效，所以将上管打开信号分别与移位寄存器的输出相与，产生S51、S61、S71，去控制可变电流源中开关管的开通与关断。
同时，该实施例还提供一种可降低开关电源电磁干扰的Ton计时方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、随机方波产生器产生的一路随机方波通过移位寄存器生成三位随机方波，且随机方波的频率大于电源的开关频率；
步骤二、将所产生的三路位随机方波分别与开关信号Driver进行与运算；
步骤三、三个运算结果分别控制三个可变电流源单元的导通或关断；三个可变电流源单元的输出电流相等，且三路电流源I2的电流之和小于恒定电流源I1的电流；
步骤四、三个可变电流源单元中所有导通的可变电流源单元，以及在开关信号Driver控制下导通的恒定电流源I1，共同向电容C1充电；
步骤五、当电容C1的电位达到比较单元内的比较阈值时，比较单元产生一个窄脉冲信号Ton_dis，该窄脉冲信号Ton_dis控制放电管M4对电容C1放电。
Driver是开关模块控制信号，即功率管上管M1打开信号，在每次上管M1打开时，恒定电流源I1和可变电流源对电容C1充电，且恒定电流源每次充电电流大小相等，可变电流源电流大小可变，与随机信号一样随机变化；当电容C1上电位达到比较单元内的比较阈值时，比较单元产生一个窄脉冲信号Ton_dis，用Ton_dis控制放电管M4对电容C1放电，等下一个周期上管M1打开时，再进行Ton的计时，这样每个周期的Ton会不同，产生不同的频率，在频谱上的观察，就可以将开关频率处的谐振尖峰消除掉，从而降低因开关产生的EMI。
实施例三
如图3所示，该实施例提供一种基于COT控制的低电磁干扰开关电源，其主要包括依次连接的开关模块、LC模块、采样模块、反馈模块和Ton计时模块；Ton计时模块采用实施例一或实施例二中的可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路，反馈模块用于产生开关信号Driver的开启沿：fb_comp；Ton计时模块用于产生开关信号Driver的关闭沿：Ton_dis；反馈模块和Ton计时模块共同作用产生开关信号Driver。
图4为本发明带降EMI功能的COT与传统COT输出电压EMI对比示意图(Vout＝1.8V、Iout＝1.2A)，图4中横坐标表示EMI频率，纵坐标表示Vout的幅度，波形1表示传统COT输出电压EMI，最高点值为-61.2dB；波形2表示本发明带降EMI功能的COT输出电压的EMI，最高点为-79.1dB；由该图得知，与传统COT输出电压相比，本发明EMI降低了18dB，能够有效降低EMI。
图5为本发明带降EMI功能COT控制的负载切换波形示意图，图5中横坐标表示时间，IL、ILoad分别表示电感电流和负载电流，Vout表示输出电压；负载电流从0.1A切换到1.2A，输出电压下冲25mV，到达稳态的切换时间为6us；负载电流从1.2A切换到0.1A，输出电压上冲27mV，到达稳态的切换时间为6us。
图6为本发明带降EMI功能的Ton计时电路计时效果示意图，图6中横坐标表示时间，IL表示电感电流，Vout表示输出电压；SW表示功率管(M1/M2)输出电压；从图中可以看出，SW波形图中Ton分别为84ns、91ns、91ns、99ns、109ns，从而实现了每个周期Ton的随机性，IL与Vout跟随SW一起变化。

Claims (9)

1.一种可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路，
包括恒定电流源I1、充电管M3、放电管M4、电容C1和比较单元；
所述充电管M3的源极与恒定电流源I1的输出端连接，漏极与电容C1的一端连接，栅极接开关信号Driver；
所述比较单元的输入端与电容C1的一端连接；所述电容C1的另一端接地；
所述放电管M4的漏极与电容C1的一端连接，源极接地，栅极与比较单元的输出端连接；
其特征在于：
还包括可变电流源模块和随机信号产生模块；
所述可变电流源模块包括N路可变电流源单元，N为大于1的整数；
所述可变电流源单元包括开关管和电流源I2，N路电流源I2的电流之和小于恒定电流源I1的电流；
所述电流源I2的输出端与开关管的源极连接，所述开关管的漏极与电容C1的一端连接；
所述随机信号产生模块包括随机方波产生器、具有N个输出端的移位寄存器和N个与门，所述随机方波产生器的输出端连接移位寄存器的输入端，移位寄存器的N个输出端分别与N个与门的一输入端连接；N个与门的另一输入端分别接开关信号Driver，N个与门的输出端分别与N个开关管的栅极一一对应连接，用于控制N个开关管的各自导通。
2.根据权利要求1所述的可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路，其特征在于：N路电流源I2的电流之和为恒定电流源I1的10％～20％。
3.根据权利要求1所述的可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路，其特征在于：所述充电管M3为PMOS型开关管，所述放电管M4为NMOS型开关管。
4.一种可降低开关电源电磁干扰的Ton计时方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、随机方波产生器产生的一路随机方波通过移位寄存器生成N路随机方波，且随机方波的频率大于电源的开关频率，N为大于1的整数；
步骤二、将所产生的N路随机方波分别与开关信号Driver进行与运算；
步骤三、N个运算结果分别控制N个可变电流源单元的导通或关断；所述N个可变电流源单元的输出电流相等，且N路电流源I2的电流之和小于恒定电流源I1的电流；
步骤四、N个可变电流源单元中所有导通的可变电流源单元，以及在开关信号Driver控制下导通的恒定电流源I1，共同向电容C1充电；
步骤五、当电容C1的电位达到比较单元内的比较阈值时，比较单元产生一个窄脉冲信号Ton_dis，该窄脉冲信号Ton_dis控制放电管M4对电容C1放电。
5.一种可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路，
包括恒定电流源I1、充电管M3、放电管M4、电容C1和比较单元；
所述充电管M3的源极与恒定电流源I1的输出端连接，漏极与电容C1的一端连接，栅极接开关信号Driver；
所述比较单元的输入端与电容C1的一端连接；所述电容C1的另一端接地；
所述放电管M4的漏极与电容C1的一端连接，源极接地，栅极与比较单元的输出端连接；
其特征在于：
还包括可变电流源模块和随机信号产生模块；
所述可变电流源模块包括一路可变电流源单元；
所述可变电流源单元包括开关管和电流源I2；所述电流源I2的电流小于恒定电流源I1的电流；
所述电流源I2的输出端与开关管的源极连接，所述开关管的漏极与电容C1的一端连接；
所述随机信号产生模块包括随机方波产生器和与门，所述随机方波产生器与与门的一输入端连接，与门的另一输入端接开关信号Driver，与门的输出端与开关管的栅极连接，用于控制开关管导通。
6.根据权利要求5所述的可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路，其特征在于：所述电流源I2电流为恒定电流源I1的10％～20％。
7.根据权利要求5所述的可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路，其特征在于：所述充电管M3为PMOS型开关管，所述放电管M4为NMOS型开关管。
8.一种可降低开关电源电磁干扰的Ton计时方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、随机方波产生器产生一路随机方波；
步骤二、将所产生的一位方波与开关信号Driver进行与运算；
步骤三、运算结果控制可变电流源模块的导通或关断；所述电流源I2的电流小于恒定电流源I1的电流；
步骤四、可变电流源模块关断时，恒定电流源I1向电容C1充电；可变电流源模块导通时，可变电流源模块和恒定电流源I1共同向电容C1充电；
步骤五、当电容C1的电位达到比较单元内的比较阈值时，比较单元产生一个窄脉冲信号Ton_dis，该窄脉冲信号Ton_dis控制放电管M4对电容C1放电。
9.一种基于COT控制的低电磁干扰开关电源，包括依次连接的开关模块、LC模块、采样模块、反馈模块和Ton计时模块；
其特征在于：
所述Ton计时模块采用权利要求1至3任一所述的可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路，或者，所述Ton计时模块采用权利要求5至7任一所述的可降低开关电源电磁干扰的Ton计时电路；
所述反馈模块用于产生开关信号Driver的开启沿：fb_comp；
所述Ton计时模块用于产生开关信号Driver的关闭沿：Ton_dis；
所述反馈模块和Ton计时模块共同作用产生Driver信号。
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