CN114679053B - 电源系统及其控制方法、电子设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电源系统及其控制方法、电子设备，包括：开关电源，包含电源输出端，开关电源具有多种开关频率；多个电容，与多种开关频率一一对应，多个电容中的每个电容用于滤除多种开关频率中的与每个电容对应的开关频率的噪声；开关模块，位于多个电容和电源输出端之间，用于响应于开关电源的当前工作频率，控制多个电容中的与当前开关频率对应的第一电容处于工作状态，且多个电容中的除第一电容之外的其他电容处于非工作状态。根据当前开关频率选择对应的电容接入电源输出端以滤除当前开关频率对应的开关噪声，避免了多个电容同时并联在输出端造成的浪涌电流过大，从而降低电源系统性能、甚至损坏电源系统的问题。

Description

电源系统及其控制方法、电子设备
技术领域
本申请涉及电源技术领域，具体涉及一种电源系统及其控制方法、电子设备。
背景技术
开关电源具有小型、轻量和高效率的特点，因此以开关电源为核心的电源系统被广泛应用于各个领域。随着开关频率的变化，电源系统开关噪声的频率也随之变化。相关技术中采用并联多个电容的方法以滤除多种频率的开关噪声。
但是，输出端并联的电容越多，等效电容值越大。从而，在电源系统启动的瞬间，浪涌电流值就越大。浪涌电流值过大会影响电源系统的性能，甚至损坏电源系统内部的元器件。
发明内容
本申请实施例提供一种电源系统及其控制方法、电子设备。
第一方面，提供一种电源系统，包括：开关电源，包含电源输出端，开关电源具有多种开关频率；多个电容，与多种开关频率一一对应，多个电容中的每个电容用于滤除多种开关频率中的与每个电容对应的开关频率的噪声；开关模块，位于多个电容和电源输出端之间，用于响应于开关电源的当前工作频率，控制多个电容中的与当前开关频率对应的第一电容处于工作状态，且多个电容中的除第一电容之外的其他电容处于非工作状态。
第二方面，提供一种电源系统的控制方法，电源系统包括：开关电源，包含电源输出端，开关电源具有多种开关频率；多个电容，与多种开关频率一一对应，多个电容中的每个电容用于滤除多种开关频率中的与每个电容对应的开关频率的噪声；开关模块，位于多个电容和电源输出端之间，控制方法包括：响应于开关电源的当前工作频率，控制多个电容中的与当前开关频率对应的第一电容处于工作状态，且多个电容中的除第一电容之外的其他电容处于非工作状态。
第三方面，提供一种电子设备，包括，负载器件；如第一方面的电源系统，用于为负载器件供电。
本申请实施例，根据当前开关频率选择对应的电容接入电源输出端以滤除当前开关频率对应的开关噪声，避免了多个电容同时并联在输出端造成的浪涌电流过大，从而降低电源系统性能、甚至损坏电源系统的问题。
附图说明
图1为降压型DC/DC开关电源(Buck)示意图。
图2为基于PWM控制开关电源的输出电压的占空比的示例图。
图3为基于PFM控制开关电源的输出电压的占空比的示例图。
图4为相关技术中的滤除开关电源多种频率开关噪声的示例图。
图5为图4中的电容C1的插入损耗的示意图。
图6为本申请实施例提供的一种电源系统的示意图。
图7为电源系统的检测模块的一种实现方式示意图。
图8为电源系统的一种实现方式的示意图。
图9为本申请实施例提供的一种电子设备的示意图。
图10为本申请实施例提供的一种电源系统控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
开关电源是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。以开关电源为核心的电源系统广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器、电子冰箱、液晶显示器，LED灯具、通讯设备、视听产品、安防监控，LED灯带、电脑机箱、数码产品和仪器类等领域。
当电源系统的开关频率是变化的，电源系统开关噪声的频率也随之变化。为了有效滤除开关噪声，相关技术中采用并联多个电容的方法。但是并联的电容越多，在电源系统启动的瞬间，浪涌电流值就越大。浪涌电流值过大会影响电源的性能，甚至损坏电源系统内部的元器件。
为了便于理解，下面以电源系统为降压型DC/DC开关电源(Buck)为例，结合图1对上文提及的问题进行详细的举例说明。
DC/DC开关电源是通过控制开关管开通和关断的时间比率以维持稳定的输出。
如图1所示，Buck可以包括输入电源110、控制器130、开关器件120和121、电感140、电容150、负载160等。
开关器件120为可以通过控制方式改变通断状态的任意开关器件。例如，可以为MOSFET，也可以为IGBT。开关器件121为可以在开关器件120断开时能够导通完成续流、开关器件120导通时断开的任意开关器件。例如，可以为MOSFET，也可以为IGBT，也可以为二极管。
Buck利用电感140的储能功能，通过控制开关器件120和121的开通与关断，实现降压输出。输出电压Vo和输入电压Vin的关系为：
Vo＝Vin×d
其中，d为开关器件120的占空比，也就是一个周期内开关打开的时间与周期的比值。
由上面的公式可以看出，对输出的控制，实际上是通过对占空比的控制来实现的。控制器130控制占空比d的方法可以为脉冲宽度调制(PWM)，也可以为脉冲频率调制(PFM)。
PWM为一种周期恒定的控制方法，通过控制每个周期内开关打开的时间(ON)实现占空比d的改变。图2为基于PWM控制开关电源的输出电压的占空比的示例图。图2中的脉冲可以用于驱动图1中的开关器件120。如图2所示，在第一个开关周期内开关器件120导通的时间为t1，开关周期为T，此时占空比为d1。保持开关周期T不变，在第二个开关周期内将开关器件120导通的时间调整为t2(t2>t1)，此时占空比为d2(d2>d1)。通过在相同的周期内改变开关器件120导通的时间实现了占空比的增大。
PFM为一种周期变化的控制方法，分为固定ON时间型和固定OFF时间型两种类型。以固定ON时间型为例，每个周期内开关打开的时间(ON)不变，PFM是通过控制关断时间，实现占空比d的改变。换句话说，固定ON时间型为每个周期内开关打开的时间(ON)不变，PFM是通过控制周期变化，实现占空比d的改变。图3为基于PFM控制开关电源的输出电压的占空比的示例图。图中的脉冲可以用于驱动图1中的开关器件120。
如图3所示，在每个周期内开关器件120导通的时间均为t。在第一个开关周期T1内开关器件120关断的时间为t3，此时占空比为d3。在第二个开关周期T2内开关器件120关断的时间为t4，此时占空比为d4。在第三个开关周期T3内开关器件120关断的时间为t5，此时占空比为d5。结合占空比的计算方法可以看出，固定ON时间型PFM控制方式，是在导通时间不变的情况下，改变周期来改变占空比，从而实现电源输出的改变。
由于开关器件工作在高频通断状态，流经开关器件的电流会发生急剧变化，从而在环路中产生寄生分量。在环路寄生分量的影响下，开关电源的输出就会出现噪声干扰。噪声主要是由开关频率产生的开关噪声提供。开关噪声是不期望存在的，它会造成输出电压的不稳定、影响电源的输出性能，从而影响负载的工作性能。例如，当负载为射频通路中的功率放大器时，开关噪声会影响射频性能，如全球移动通信(Global System for MobileCommunications，GSM)的输出射频频谱特性(Output RF Spectrum，ORFS)性能等。
相关技术中采用电容滤除开关噪声。在基于PWM模式的开关电源中，由于周期T恒定，也就是说开关频率是恒定的，因此开关噪声的频率fpwm是可预期的。例如，可以在电源输出端并联一个能够滤除频率为fpwm的电容。在基于PFM模式的开关电源中，当负载变大时，开关周期会变小，开关频率会变高；当负载变小时，开关周期会变大，开关频率会变低。基于PFM模式的开关电源的开关频率fpfm是变化的。例如，可以在电源输出端与负载输入端之间预留多个电容以滤除不同频率的开关噪声。以图4所示的电源系统作为一个示例，该电源系统在开关电源输出端与负载输入端之间预留了三个电容C1、C2和C3，用于滤除三种频率的噪声。
电容值与可以滤除的噪声的频率存在映射关系。电容由于寄生参数(结构、引线、布线等)的原因，不符合理想的电容特性。电容在实际应用中可以等效为等效电阻、等效电感和电容串联的电路。该等效电路的谐振频率即电容的自谐振频率(Self-ResonantFrequency，SRF)。SRF为电容的阻抗最小的点，因此电容可以有效地滤除自谐振频率点上的噪声。
仍以图4的电源系统为例，图4中电容C1的插入损耗如图5所示。电容C1插入损耗为输入到电容C1的信号的频域响应。其中，曲线的最低点对应的频率为电容C1的自谐振频率。频域响应反映了输入到电容C1的信号的衰减程度。从图中可以看出，电容C1在自谐振频率点的插入损耗最小，也就是说，电容C1能够有效滤除自谐振频率点的噪声。
但是，如果开关电源的输出端有并联电容，在电源启动的瞬间，电容两端的电压会快速上升，因此电容充电电流急剧增大。充电电流的计算公式如下所示。
I＝C×△U/△t
从上述公式可以看出，电容值越大，充电电流就越大，从而由充电电流引起的浪涌电流值就越大。
基于PWM模式的开关电源由于输出端只有一个电容，不会产生过大的浪涌电流。而基于PFM模式的开关电源输出端有多个电容。根据电容并联时电容值会叠加的特性，图4示出的电源系统输出端等效电容值C＝C1+C2+C3。因此，在开关电源启动的瞬间，会产生较大的浪涌电流。浪涌电流会造成开关电源内部的开关器件等元器件损坏，导致开关电源无法工作。因此，无法在电源输出端和负载输入端之间放置过多的电容，从而无法有效滤除基于PFM模式的开关电源的多种开关噪声。
为了解决上述问题，本申请实施例提出一种电源系统及其控制方法、电子设备，根据当前开关频率选择对应的电容接入电源输出端以滤除当前开关频率对应的开关噪声，避免了多个电容同时并联在输出端造成的浪涌电流过大，从而降低电源系统性能、甚至损坏电源系统的问题。
图6为本申请实施例提供的电源系统结构示意图。图6所示的电源系统600可以是以AC/DC或DC/DC开关电源为主拓扑的电源装置。
参见图6，本申请实施例提供的电源系统600包括开关电源610、开关模块620以及多个电容630。下面结合图6对电源系统600的各个组成部分的功能和实现方式进行详细描述。
开关电源610可用于为负载器件供电。开关电源610可以为AC/DC开关电源，也可以为DC/DC开关电源。例如，开关电源610可以为Buck、Boost或者Buck-Boost，还可以为正激变换器、反激变换器等。
开关电源610包含电源输出端Vo。多个电容630通过开关模块620与电源输出端相连。多个电容630用于滤除多种开关噪声。由于开关噪声是由系统的开关器件产生的，因此开关噪声的频率与开关器件的开关频率存在一定的映射关系。基于这种映射关系，多个电容630分别与多种开关频率一一对应。多个电容630中的每一个电容用于滤除与其对应的开关频率的噪声。例如，多个电容630包含电容1和电容2。电容1与开关频率1相对应，电容2与开关频率2相对应。其中，电容1用于滤除系统工作在开关频率1时的开关噪声；电容2用于滤除系统工作在开关频率2时的开关噪声。
多个电容630的数量可以根据系统的工作频率的种类进行设计。例如，当系统的主要工作频率包括3种，可以将多个电容630的数量设置为3个。
多个电容630中每个电容的选择可以有多种方法。例如，多个电容630可以选取自谐振频率与开关噪声的频率相同的电容。重新参见图5，图中虚线处的频率为4500MHz。作为一个示例，该电容的自谐振频率点为4250MHz，多个电容630可以选取该电容用于滤除频率为4250MHz的开关噪声。又如，多个电容630可以选取自谐振频率与开关噪声的频率差值满足预设要求的电容。作为一个示例，多个电容630可以选取该电容用于滤除频率在4250MHz±1％范围内的开关噪声。作为另一个示例，多个电容630可以选取该电容用于滤除插入损耗小于-30dB范围内的开关噪声。
开关模块620位于多个电容630和电源输出端之间。开关模块620用于响应于开关电源的当前工作频率，控制多个电容中的与当前开关频率对应的第一电容处于工作状态，且多个电容中除第一电容之外的其他电容处于非工作状态。多个电容630中的第一电容并非特指，而是与当前开关频率对应的电容即为第一电容。该第一电容可以是多个电容630中的任意一个电容，且该第一电容随着开关频率的变化可以被改变。也就是说，当开关模块620接收到当前工作频率的信息时，可以控制多个电容630中与上述信息对应的电容接入电源输出端，且控制多个电容630中其他的电容与电源输出端断开。
开关模块620执行多个电容630通断状态的控制，可以通过硬件电路实现，也可以结合硬件电路和软件共同实现。
电源系统通过开关模块620与多个电容630的配合，能够滤除不同频率下的开关噪声。同时，在每种开关频率下，并非所有的电容均处于工作状态。因此，本申请实施例提供的电源系统能够有效地降低浪涌电流。
在一些实施例中，电源系统还可以包括检测模块，用于获取当前开关频率、确定第一电容，并将携带上述信息的触发信号发送至开关模块。图7为检测模块的一种实现方式示意图。
参见图7，电源系统700包括开关电源710、开关模块720、多个电容730和检测模块740。其中开关电源710、开关模块720以及多个电容730与图6中的模块类似，此处不再说明。
检测模块740的一端与开关电源710相连，另一端与开关模块720相连。检测模块740用于根据检测到的开关电源710的当前开关频率，发送相应的触发信号。作为一种实现方式，检测模块740可以由控制模块741、存储模块742组成。
其中，控制模块741用于控制开关电源710的开关频率。当负载需求发生变化或者电源输出端出现扰动时，控制模块741可以根据需求调整开关电源710的开关频率。例如，当负载变大时，控制模块741可以控制开关频率增大。又如，当负载变小时，控制模块741可以控制开关频率减小。作为一种实现方式，控制模块741可以通过更改脉冲周期的计数值来调整开关电源710的开关频率。
多种开关频率与多个电容的通断状态之间存在映射关系。该映射关系可以以不同的方式存储在存储模块742中。例如，可以将上述映射信息以case语句等程序语言的方式存储，也可以以表格的形式存储。
每当检测到开关频率发生变化，存储模块742可以根据存储的映射信息确定第一电容。同时生成对应的触发信号，并发送给开关模块720，以触发开关模块720控制第一电容处于工作状态。
图8所示的电源系统包括开关电源810、多个电容830、开关模块820和检测模块840。下面结合图8，对本申请的一种可能的实现方式的工作过程进行具体的说明。
参见图8，多个电容830包括C1到Cn，检测模块840包括控制模块841和存储模块842。电源系统用于给负载850供电。
电源系统开机后，开关电源810根据负载850的用电需求，通过控制模块841设置开关电源810的开关频率。开关电源810采用PFM的控制方式。
控制模块841设置开关频率的同时将当前开关频率信息发送至存储模块842。存储模块842查询内部存储的多种开关频率与多个电容830之间的映射信息，确定多个电容830中的工作电容，并将信息发送至开关电路820。
开关电路820根据存储模块842发送的信息，设置多个电容830的通断状态。
例如，控制模块841根据负载需求设置当前工作频率为f1，同时将频率信息发送至存储模块842。存储模块842根据内部存储的多种开关频率与多个电容830之间的映射关系可以得出：电容C1能够滤除开关频率为f1时，电源输出端的开关噪声。同时存储模块842将查询结果发送至开关电路820。开关电路820接到触发消息后，将IN端与OUT1端接通，OUT2至OUTn均与IN端断开。
又如，当负载需求变化时，控制模块841将当前工作频率调整为f2，同时将频率信息发送至存储模块842。存储模块842根据内部存储的多种开关频率与多个电容830之间的映射关系可以得出：电容C2能够滤除开关频率为f2时，电源输出端的开关噪声。同时存储模块842将查询结果发送至开关电路820。开关电路820接到触发消息后，将IN端与OUT1端断开，同时将IN端与OUT2接通，其他电容通路保持断开。
因此，无论开关频率怎么变化，电源通路上都只连接了一个电容。这样不仅能够滤除当前开关频率对应的噪声，还能够有效降低浪涌电流。
需要说明的是，以上只是电源系统的一种可能的划分方式。实际应用中可以根据需求灵活划分。例如，可以将开关模块与多个电容集成在开关电源中，可以将开关模块与多个电容集成在负载中，也可以作为独立的模块。
参见图9，本申请实施例还提供了一种电子设备。电子设备900包括电源系统910和负载器件920。
电源系统910可以为前文任一方面实现方式中所述的电源系统。该电源系统用于为负载器件920供电。
上文结合图5至图9详细描述了本申请的装置实施例，下面结合图10，详细描述本申请的方法实施例。应理解，方法实施例的描述与装置实施例的描述相互对应，因此，未详细描述的部分可以参见前面装置实施例。
图10是本申请一实施例提供的电源系统的控制方法的流程示意图。
控制方法1000用于控制电源系统。电源系统包括：开关电源，包含电源输出端，开关电源具有多种开关频率；多个电容，与多种开关频率一一对应，多个电容中的每个电容用于滤除多种开关频率中的与每个电容对应的开关频率的噪声；开关模块，位于多个电容和电源输出端之间。
电源系统的控制方法1000包括步骤S1010和S1020，其中：
S1010，检测开关电源的当前工作频率；
S1020，控制多个电容中的与当前开关频率对应的第一电容处于工作状态，且多个电容中的除第一电容之外的其他电容处于非工作状态。
可选地，控制方法还包括：利用检测模块检测开关电源的开关频率，响应于检测到开关电源的开关频率切换至当前开关频率，向开关模块发送触发信号，以触发开关模块控制第一电容处于工作状态。
可选地，检测模块包括：控制模块，用于控制开关电源的开关频率；存储模块，用于存储开关电源的多种开关频率与多个电容之间的通断状态的映射关系。
可选地，控制方法包括：开关电源为基于PFM模式的开关电源。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其他任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DigitalSubscriber Line，DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如数字视频光盘(Digital Video Disc，DVD))、或者半导体介质(例如固态硬盘(Solid State Disk，SSD))等。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本申请实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种电源系统，其特征在于，包括：
开关电源，包含电源输出端，所述开关电源具有多种开关频率；
多个电容，与所述多种开关频率一一对应，所述多个电容中的每个电容用于滤除所述多种开关频率中的与所述每个电容对应的开关频率的噪声；
开关模块，位于所述多个电容和所述电源输出端之间，用于响应于所述开关电源的当前开关频率，控制所述多个电容中的与所述当前开关频率对应的第一电容处于工作状态，且所述多个电容中的除所述第一电容之外的其他电容处于非工作状态。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述电源系统还包括：
检测模块，用于检测所述开关电源的开关频率，响应于检测到所述开关电源的开关频率切换至所述当前开关频率，向所述开关模块发送触发信号，以触发所述开关模块控制所述第一电容处于工作状态。
3.根据权利要求2所述的电源系统，其特征在于，所述检测模块包括：
控制模块，用于控制所述开关电源的开关频率；
存储模块，用于存储所述开关电源的所述多种开关频率与所述多个电容之间的通断状态的映射关系，且响应于所述控制模块的开关频率切换至所述当前开关频率，向所述开关模块发送所述触发信号。
4.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述开关电源为基于PFM模式的开关电源。
5.一种电源系统的控制方法，其特征在于，所述电源系统包括：
开关电源，包含电源输出端，所述开关电源具有多种开关频率；
多个电容，与所述多种开关频率一一对应，所述多个电容中的每个电容用于滤除所述多种开关频率中的与所述每个电容对应的开关频率的噪声；
开关模块，位于所述多个电容和所述电源输出端之间，
所述控制方法包括：
响应于所述开关电源的当前开关频率，控制所述多个电容中的与所述当前开关频率对应的第一电容处于工作状态，且所述多个电容中的除所述第一电容之外的其他电容处于非工作状态。
6.根据权利要求5所述的电源系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
利用检测模块检测所述开关电源的开关频率，响应于检测到所述开关电源的开关频率切换至所述当前开关频率，向所述开关模块发送触发信号，以触发所述开关模块控制所述第一电容处于工作状态。
7.根据权利要求6所述的电源系统的控制方法，其特征在于，所述检测模块包括：
控制模块，用于控制所述开关电源的开关频率；
存储模块，用于存储所述开关电源的所述多种开关频率与所述多个电容之间的通断状态的映射关系。
8.根据权利要求5所述的电源系统的控制方法，其特征在于，所述开关电源为基于PFM模式的开关电源。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
负载器件；
如权利要求1-4所述的电源系统，用于为所述负载器件供电。
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