CN117639479A - 一种减低电磁干扰噪声脉冲编码控制dc-dc降压转换器 - Google Patents

一种减低电磁干扰噪声脉冲编码控制dc-dc降压转换器 Download PDF

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Abstract

一种减低电磁干扰噪声脉冲编码控制DC‑DC降压转换器，涉及一种开关电源降压转换器，本发明采用DC‑DC开关降压转换器脉冲宽度编码控制方法实现陷波频率自动生成从而减低电磁干扰噪声。该DC‑DC转换器包括以下两部分；此脉冲宽度编码扩频技术，通过数字调制将模拟输出电压误差信号转换为数字信号，通过适当地脉冲切换，可以稳定开关转换器的输出电压，并且扩展时钟频率的频谱，使转换器在特定频率上产生陷波，减低转换器的噪声。该DC‑DC降压转换器可用于车载电源系统中，同时具备抑制车内开关转换器电磁干扰和使周围电子设备不受影响的功能。本发明的DC‑DC降压转换器结构和实现简单、降噪效果明显。

Description

一种减低电磁干扰噪声脉冲编码控制DC-DC降压转换器
技术领域
本发明涉及一种开关电源降压转换器，具体涉及一种减低电磁干扰噪声脉冲编码控制DC-DC降压转换器。
背景技术
近年来，随着电子信息设备的小型化和高频化，开关噪声的任何波动都会在宽频率范围内传播，开关转换器中不必要的辐射和传导噪声已成为严重的问题。为了减少电磁干扰噪声，一般采用噪声滤波和屏蔽技术，这使得开关转换器的尺寸更大，成本更高。一些技术可以拓宽并使开关噪声功率谱平坦，从而降低电磁干扰并满足EMC标准。比如采用开关的数字伪随机抖动，以扩散开关噪声的频谱。另一些技术使用三角波形调制作为频率调制方法。
尽管这些方法抑制了基频处的峰值水平，但是存在诸如输出电压的纹波将增加或扩散噪声叠加在不想要的扩散频带上的问题。比如：车载用DC-DC开关电源的开关频谱和谐波频率不应与无线电AM、FM的接收频带重叠。这些电磁干扰若不加以抑制，会对车内和车外的其他设备的正常工作造成严重影响。
针对上述问题，有必要开发一种同时具有抑制车内开关电源电磁干扰和使周围电子设备不受影响的电磁干扰减低产品，该产品基于脉冲编码控制实现陷波频率生成的电磁干扰扩频技术，可以抑制信号频率中的噪声，达到同时减低开关转换器电磁干扰噪声和电子设备受开关电源电磁干扰的目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减低电磁干扰噪声脉冲编码控制DC-DC降压转换器，本发明通过脉冲宽度编码方法调制PWM信号，将模拟输出电压误差转换为数字信号的数字调制来产生脉冲信号；通过切换这些脉冲，将稳定开关转换器的输出电压；扩展时钟频率的频谱，在设置的频率处产生陷波以达到电磁干扰减低的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种减低电磁干扰噪声脉冲编码控制DC-DC降压转换器，所述转换器包括电源部分和控制部分；所述电源部分包括电源开关SW、续流二极管D、电感L和输出电容C；控制部分包括运算放大器AMP、比较器Comp、时钟生成器Clock Generator、D触发器、编码控制器；控制部分的编码控制器为采用脉冲宽度编码控制的DC-DC降压转换器的编码控制器，包括多路复用器、锯齿波生成器；比较器同相输入端接误差电压ΔV，反相输入端接参考电压Vr，其输出连接到D触发；D触发器，输出1比特高/低电平；编码控制器中的多路复用器根据高/低电平选择对应的高电压VH或低电压VL；该电压与锯齿波生成器生成的锯齿波信号SAW经过比较器产生宽脉冲WH或窄脉冲WL；该信号为脉冲宽度调制(PWM)信号并反馈至输入开关。
所述的一种减低电磁干扰噪声脉冲编码控制DC-DC降压转换器，所述脉冲宽度编码控制DC-DC转换器的两个脉冲编码信号是随机序列；在脉冲宽度编码方式DC-DC降压转换器中定义一个周期为具有两个不同宽度的脉冲信号(WH、WL)，对一个周期内的编码脉冲进行快速傅立叶变换，得到如下理论推导：
上述傅里叶变换的绝对值是一个sinc函数，如下式所示：
其中ω＝2πf,另sinc函数等于0，陷波频率可以表示为这里，N是自然数；由公式可看出，陷波的频率仅取决于脉冲宽度的差值，而与脉冲的周期(时钟频率)无关。
所述的一种减低电磁干扰噪声脉冲编码控制DC-DC降压转换器，通过调整脉冲编码信号的宽脉冲WH和窄脉冲WL，将陷波频率设置为电子设备接收信号的频率；陷波频率等于电子设备接收信号频率即抑制接收信号频率中的噪声；应用在避免汽车中DC-DC开关电源的开关频率与AM无线电同频率范围时，DC-DC开关电源对AM无线电的电磁干扰。
本发明的优点与效果是：
1.本发明基于陷波特性设计，陷波的频率仅取决于脉冲宽度编码信号的脉冲宽度差值，与脉冲的周期(时钟频率)无关。提出一种用于时钟脉冲编码的扩频技术，使用脉冲宽度编码方法来抑制电源噪声的扩散。通过调整脉冲编码信号的脉冲宽度，根据陷波频率公式将陷波频率设置为电子设备接收信号的频率，即可抑制接收信号频率中的噪声，并且不受其他扩频的影响。
2.本发明为一种基于脉冲编码控制的电磁干扰减低技术，该技术用于防止噪声扩散到任意频带并可以产生陷波特性，开关脉冲频谱中的陷波出现在使用脉冲宽度编码方法设计的DC-DC降压转换器中，希望既可以减少电子设备受干扰程度又可以减低DC-DC开关转换器的电磁干扰。
附图说明
图1为本发明使用脉冲宽度编码控制的DC-DC降压转换器原理图；
图2为本发明的主要编码信号波形图；
图3为本发明的陷波频谱仿真波形图
图4为本发明的实际电路设计图；
图5为本发明的实际电路测试波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步说明，以便本领域的相关人员据以参照和实施。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同型号的器件来布置和设计。
本实施例提供了一种可减低电磁干扰的DC-DC降压转换器，此转换器包括电源部分和控制部分。其中电源部分由电源开关SW、续流二极管D、电感L和输出电容C组成。控制部分由运算放大器AMP、比较器Comp1、D触发器、时钟生成器Clock Generator、和编码控制器组成。
作为一种可实施的方式，控制部分由：运算放大器AMP、比较器Comp1、D触发器、时钟生成器Clock Generator和编码控制器组成。其中编码控制器包括多路复用器、锯齿波生成器、比较器Comp2。运算放大器将输出电压Vo与参考电压Vr比较生成误差电压ΔV，比较器Comp1将参考电压Vr和误差电压ΔV进行比较，其输出连接到编码控制器中的D触发器。通过D触发器，输出的1比特高/低电平由编码电路转换为与高/低信号对应的PWM脉冲，并反馈至输入开关。经过D触发器，如果输出信号为高电平，多路复用器将选择高电压VH，脉冲信号WH由锯齿波发生器产生的锯齿波信号SAW与自己设置的高电压VH比较生成。如果输出信号为低电平，多路复用器将选择低电压VL，脉冲信号WL由锯齿波信号SAW与自己设置的低电压VL比较生成。此脉冲宽度编码信号控制电源部分开关的导通与关断。
图1展示了本发明脉冲宽度编码控制的DC-DC降压转换器原理图；此DC-DC降压转换器包括电源部分和控制部分。其中电源部分由开关SW、续流二极管D、电感L和输出电容C组成。控制部分由运算放大器AMP、比较器Comp1、D触发器、时钟生成器ClockGenerator、多路复用器MUX、锯齿波生成器SAWGenerator、比较器Comp2组成。开关SW与输入电压Vi串联，通过开关SW开通和关断。采用脉冲编码控制方式，占空比可调，设开关SW导通时间为Ton，关断时间为Toff，一个周期为T。当开关SW导通时，电流通过电感L流入输出端。当开关SW关断时，电感L产生反电动势，使V1点电压迅速下降到零，并变为负值直到被续流二极管D钳位于-0.7V。由电感L和电容C组成的滤波器可使输出电压Vo成为幅值等于的直流电压。本发明设计的DC-DC降压转换器输入Vi＝12V，输出Vo保持5V不变。
运算放大器将输出电压Vo与参考电压Vr进行比较。之后比较器Comp1将参考电压Vr和被放大的误差电压ΔV进行比较，其输出连接到编码控制器中的D触发器。通过D触发器，输出的1比特高/低电平由编码电路转换为与高/低信号对应的PWM脉冲，并反馈至输入开关SW。
其逻辑关系是：若输入电压Vi稍升高，则输出电压Vo升高，由于输出电压接运算放大器的反相端，所以被放大的误差电压ΔV略小于5V，经过比较器Comp1输出逻辑低电平。经过D触发器，当时钟上升沿到来时，输出1bit逻辑低电平，多路复用器MUX将选择自己设置的低电压VL，VL与锯齿波信号SAW经比较器Comp2比较后生成窄脉冲信号WL。这样开关SW导通时间Ton缩短，使输出电压保持不变。
图2展示了本发明脉冲宽度编码控制的DC-DC降压转换器主要编码信号波形。Tck是时钟周期，同时也是锯齿波信号SAW和脉冲宽度编码PWM信号的周期。在D触发器上升沿触发之后，若选择信号SEL为高电平，经过多路复用器MUX，将选择高电压VH(红色)，VH与锯齿波发生器产生的锯齿波信号SAW经过比较器生成脉冲信号WH。若选择信号SEL为低电平，经过多路复用器MUX，将选择低电压VL(蓝色)，VL与锯齿波发生器产生的锯齿波信号SAW经比较器生成脉冲信号WL。由于陷波频率与WH、WL有关，所以调节WH、WL的宽度(即VH、VL的大小)就可以设置陷波频率，从而达到特定频率电磁干扰减低的效果。
图3展示了本发明脉冲宽度编码控制的DC-DC降压转换器PWM编码脉冲信号的频谱仿真波形图，在仿真过程中设定高电压VH＝9.6V，低电压VL＝1.8V，相应的通过比较器Comp2与锯齿波SAW比较，分别产生宽脉冲WH＝1.6μs和窄脉冲WL＝0.3μs，此时时钟周期信号Tck设置为2μs。根据陷波频谱的公式可求出出现陷波的频率在770kHZ附近，仿真结果与公式结果相符。
图4为转换器实际设计电路图。图中标出了各元器件的选型及参数。其中电源部分由NMOS、电感、电容组成同步降压转换器，控制部分由运算放大器(选型：UA741CP)、比较器(选型：HA17903)、D触发器(选型：TC4013)、反相器(选型：74HC04)构成的时钟生成器和编码控制器组成。编码控制器由与非门(选型：74HC00)组成的多路复用器MUX、锯齿波生成电路、比较器Comp2(选型：HA17903)、MOSFET驱动器(选型：MCP14628)组成。
其中，锯齿波生成电路如图4标注所示：通过反相器(选型：74HC04)及滑动变阻器调节产生周期为2μs的方波信号。若三极管截至，电源通过电流镜电路对电容C进行充电，电压直线上升。若三极管导通，集电极C和发射极e相连，迅速放电。电容器的波形变成了周期为2μs的锯齿波。
与非门组成的多路复用器如图4所示：输入端SEL信号用于控制将哪路输入传递给输出。若D触发器(选型：TC4013)输出端Q(SEL信号)为0，则低电压VL与锯齿波SAW经过比较器生成窄脉冲WL，WL将数据通过与非门多路复用器电路传递至输出，输入WH被阻塞。
图5为实际电路测试结果，可以看出若设置WH＝1μs,WL＝0.4μs情况下，PWM的频谱图在1.66MHz处产生了陷波，与陷波频率公式计算出的结果相同。陷波出现在时钟频率的三、四次谐波之间。两次谐波之间也出现不同程度的陷波。
以上所述仅为本发明的实施例之一，可以通过滑动变阻器手动调节电阻值，改变高电压VH和低电压VL，从而产生不同的宽脉冲WH和窄脉冲WL。通过适当地脉冲切换，稳定开关转换器的输出电压，并且扩展时钟频率的频谱，根据陷波频率公式，使转换器在特定频率上产生陷波，减低转换器的噪声。

Claims (3)

1.一种减低电磁干扰噪声脉冲编码控制DC-DC降压转换器，所述转换器包括电源部分和控制部分；其特征在于，所述电源部分包括电源开关SW、续流二极管D、电感L和输出电容C；控制部分包括运算放大器AMP、比较器Comp、时钟生成器Clock Generator、D触发器、编码控制器；控制部分的编码控制器为采用脉冲宽度编码控制的DC-DC降压转换器的编码控制器，包括多路复用器、锯齿波生成器；比较器同相输入端接误差电压ΔV，反相输入端接参考电压Vr，其输出连接到D触发；D触发器，输出1比特高/低电平；编码控制器中的多路复用器根据高/低电平选择对应的高电压VH或低电压VL；该电压与锯齿波生成器生成的锯齿波信号SAW经过比较器产生宽脉冲WH或窄脉冲WL；该信号为脉冲宽度调制(PWM)信号并反馈至输入开关。
2.如权利要求1所述的一种减低电磁干扰噪声脉冲编码控制DC-DC降压转换器，其特征在于，所述脉冲宽度编码控制DC-DC转换器的两个脉冲编码信号是随机序列；在脉冲宽度编码方式DC-DC降压转换器中定义一个周期为具有两个不同宽度的脉冲信号(WH、WL)，对一个周期内的编码脉冲进行快速傅立叶变换，得到如下理论推导：
上述傅里叶变换的绝对值是一个sinc函数，如下式所示：
其中ω＝2πf,另sinc函数等于0，陷波频率可以表示为这里，N是自然数；由公式可看出，陷波的频率仅取决于脉冲宽度的差值，而与脉冲的周期(时钟频率)无关。
3.如权利要求1所述的一种减低电磁干扰噪声脉冲编码控制DC-DC降压转换器，其特征在于，通过调整脉冲编码信号的宽脉冲WH和窄脉冲WL，将陷波频率设置为电子设备接收信号的频率；陷波频率等于电子设备接收信号频率即抑制接收信号频率中的噪声；应用在避免汽车中DC-DC开关电源的开关频率与AM无线电同频率范围时，DC-DC开关电源对AM无线电的电磁干扰。
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