CN207234666U - 一种开关电源宽频控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种开关电源宽频控制电路，包括串接在开关电源主回路中的第一功率开关和第二功率开关，在开关电源输出端电阻分压获得反馈电压（Vf），反馈电压经误差放大及斜坡补偿电路获得比较信号（Ve），用信号乘法模块对给定的斜波信号（Vs）和调制信号（Vm）进行调制获得变频调制信号（Vms），用比较器对所述比较信号（Ve）和变频调制信号（Vms）比较获得脉冲信号（Vc），经过逻辑控制模块以及反相器获得第一功率开关控制信号（S1）和第二功率开关控制信号（S2）；本实用新型增加功率开关控制信号的信号带宽，信号能量将被分配到更宽的频率范围内，有效的降低了整个开关电源的电磁干扰。

Description

一种开关电源宽频控制电路

技术领域

本实用新型涉及开关电源，尤其涉及一种对开关电源中的功率开关实施宽频率低电磁干扰的控制电路。

背景技术

在小型电子产品中普遍使用开关电源作为能量来源，常见的开关电源有以下三种。一是Buck变换器，也叫降压式变换器，这是由于电路输出电压Vo总是小于输入电压Vi，其拓扑结构如图1所示；二是Boost变换器，也叫升压式变换器，这是由于电路输出电压Vo总是大于输入电压Vi，其拓扑结构如图2所示；三是Buck-Boost型变换器，也就是是降压升压混合式变换器，这是由于电路输出电压Vo可以大于，也可以小于输入电压Vi，其拓扑结构如图3所示。

在上面的三种拓扑结构中，对电路中的功率开关SW1和SW2具有相同的控制方式：输出电压Vo经过R1和R2的分压，得到Vf信号，Vf信号经过误差放大及斜坡补偿电路（由误差放大器和斜坡补偿组成）104模块后，得到比较信号Ve，Ve信号和斜波信号Vs经过比较器103输出Vc信号，Ve，Vs，Vc的信号如图4所示。Vc信号经过逻辑控制模块102得到信号S1，S1信号经过反相器101后得到信号S2，S1和S2分别控制功率开关SW1和SW2，输入电压Vi经过由功率开关SW1和SW2以及L、R、C组成的电路后得到一个稳定的输出电压Vo，由于信号Vs是固定频率的斜波信号，因此得到的信号S1和S2它们的频率也将是固定的。

在图1、2、3所描述的控制方式中，Ve，Vs和Vc的信号关系如图4所示。Ve是一个比较信号，Vs是一个固定频率的斜波信号，Ve和Vs经过一个比较器进行比较，得到Vc信号，Ve比较高时，得到的Vc的占空比就比较小，当Ve比较低时，得到的Vc的占空比就比较大，因此Vc的占空比与Ve的大小成线性关系。Vc信号经过一系列的逻辑控制模块后，得到信号S1,S1经过反相器后，得到S2信号，S1和S2两个信号的关系如图5所示。

图5中S1和S2的相位相反。因为Vs信号的频率固定，因此信号Vc的频率也是固定的，由此得到的信号S1和S2的频率也是固定的，

从图6示出的频谱分析图中可以看出，信号Vc和信号S1和S2的频谱一致。图6中为了简单起见省略了信号的高次谐波，fo是信号S1和S2的频率，信号能量的功率峰值A0位于频点fo上，由于信号S1和S2控制功率开关SW1和SW2，因此由这两个功率开关带来的电磁干扰的频谱与信号S1和S2的频谱一致。

综上所述，现有变换器中功率开关SW1和SW2的控制信号S1和S2频率固定、信号带窄，功率开关SW1和SW2电磁干扰的功率峰值大，导致整个变换器电磁干扰大。故此业内亟需开发一种能调制功率开关SW1和SW2控制频率、增加信号带宽度、减小功率开关功率峰值、降低变换器电磁干扰的控制电路。

实用新型内容

本实用新型是要解决现有技术的上述问题，提出一种对开关电源中的功率开关实施宽频率低电磁干扰的控制电路。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案是设计一种开关电源宽频控制电路，包括串接在开关电源主回路中的第一功率开关和第二功率开关，在开关电源正、负输出端之间串接第一电阻和第二电阻，第一和第二电阻的连接点上的反馈电压连接至误差放大及斜坡补偿电路的输入端，误差放大及斜坡补偿电路输出端上的比较信号连接至比较器的一个输入端，还包括一个信号乘法模块，信号乘法模块的两个输入端分别接斜波信号和调制信号，信号乘法模块输出的变频调制信号连接至比较器的另一个输入端，比较器输出端上的脉冲信号连接至逻辑控制模块的输入端,逻辑控制模块输出端输出第一功率开关控制信号、并通过反相器获得第二功率开关控制信号，第一和第二功率开关控制信号分别接所述第一和第二功率开关的控制端。

所述信号乘法模块包含彼此连接的电压产生单元、比较单元和RS触发器，所述电压产生单元具有一个电流源，该电流源上串接一个电流源开关，电流源开关的输出端连接第一开关和第二开关的一端，电流源开关的控制端接所述调制信号，第一开关的另一端连接第三开关和第一电容的一端、还连接比较单元中的第一信号比较器的同相输入端、并且输出所述变频调制信号，第三开关和第一电容的另一端接地，第二开关的另一端连接第四开关和第二电容的一端、还连接比较单元中的第二信号比较器的同相输入端，第四开关和第二电容的另一端接地；所述比较单元具有第一信号比较器和第二信号比较器，第一和第二信号比较器的反相输入端接所述斜波信号，第一和第二信号比较器的输出端接所述RS触发器的两个输入端；所述RS触发器的两个输出端分别发出第一时钟信号和第二时钟信号，第一时钟信号连接至第一和第四开关的控制端，第二时钟信号连接至第二和第三开关的控制端。

所述调制信号采用正弦信号、三角波信号、方波信号中的一种。

所述斜波信号的频率为fo_，所述调制信号的频率为fm，变频调制信号的频率变化范围为最小fo-fm、最大fo+fm，变频调制信号的脉宽为2×fm。

与现有技术相比，本实用新型能调制功率开关SW1和SW2的控制信号S1和S2，这样增加它们的信号带宽，信号能量将被分配到更宽的频率范围内，因而频率幅度的功率峰值将减小，这样功率开关SW1和SW2带来的电磁干扰的信号带宽将增加，频率幅度的功率峰值将降低，从而有利于降低整个开关电源的电磁干扰。

附图说明

图1为现有降压变换器的原理图；

图2为现有升压变换器的原理图；

图3为现有降压升压混合变换器的原理图；

图4为现有技术中Ve、Vs、Vc信号的波形图；

图5为现有技术中信号S1和S2的相位关系图；

图6为现有技术中信号S1和S2的频谱图；

图7为信号S1和S2被调制之前和之后的频谱对比图；

图8为降压变换器中信号S1和S2的调制原理图；

图9为升压变换器中信号S1和S2的调制原理图；

图10为降压升压混合变换器中信号S1和S2的调制原理图；

图11为本较佳实施例中信号乘法器的电路图；

图12为本较佳实施例中信号乘法器的波形示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图6示出了现有技术中信号S1和S2的频谱图，图中fo是功率开关控制信号S1和S2的频率，信号能量的功率峰值A0位于频点fo上，由于信号S1和S2控制功率开关SW1和SW2，因此由这两个功率开关带来的电磁干扰的频谱与信号S1和S2的频谱一致。如果我们能够降低信号S1和S2的功率峰值A0，那么也就能降低这两个功率开关带来的电磁干扰的功率峰值。在本实用新型中，功率开关控制信号S1和S2的频率不再是固定不变的，而是被其他信号调制过的，因此他们的信号带宽将增加，而信号能量的功率峰值将减小，这样由于功率开关SW1和SW2带来的电磁干扰的功率峰值也将减小。

参看图8、9、10示出的调制原理图，本实用新型揭示了一种开关电源宽频控制电路，其包括串接在开关电源主回路中的第一功率开关SW1和第二功率开关SW2，在开关电源正、负输出端之间串接第一电阻R1和第二电阻R2，第一和第二电阻的连接点上的反馈电压Vf连接至误差放大及斜坡补偿电路104的输入端，误差放大及斜坡补偿电路输出端上的比较信号Ve连接至比较器103的一个输入端，还包括一个信号乘法模块105，信号乘法模块的两个输入端分别接斜波信号Vs和调制信号Vm，信号乘法模块输出的变频调制信号Vms连接至比较器103的另一个输入端，比较器输出端上的脉冲信号Vc连接至逻辑控制模块102的输入端,逻辑控制模块输出端输出第一功率开关控制信号S1、并通过反相器101获得第二功率开关控制信号S2，第一和第二功率开关控制信号分别接所述第一和第二功率开关的控制端。

在图7中，虚线表示没有被调制的信号S1和S2的频谱图，实线表示被调制之后的信号S1和S2的频谱图。可以看出，信号S1和S2被调制之后信号带宽变为2×fm,而信号的功率峰值从原来的A0减小为A1,由于信号S1和S2分别控制功率开关SW1和SW2，因此由这两个开关带来的电磁干扰的功率峰值也将下降。由于这两个开关的电磁干扰决定着因此整个电源系统的电磁干扰，所以这种方式有利于降低整个电源系统的电磁干扰。

图8、9、10分别示出了降压变换器、升压变换器、降压升压混合变换器对信号S1和S2的调制，也可以说本实用新型揭示的宽频控制方案是适用于降压变换器、升压变换器、降压升压混合变换器的。在上述变换器中，输出信号Vo经过电阻R1和R2分压后得到反馈电压Vf，Vf信号经过误差放大及斜坡补偿电路104后得到比较信号Ve；斜波信号Vs和调制信号Vm是预先给定的，经过信号乘法模块105调制之后得到变频调制信号Vms，Vms与Ve进入比较器103进行比较后得到脉冲信号Vc，Vc信号经过逻辑控制模块102得到第一功率开关控制信号S1，S1通过反相器101获得第二功率开关控制信号S2。

图11示出了信号乘法器一种较佳的实施方案，所述信号乘法模块包含彼此连接的电压产生单元301、比较单元302和RS触发器303，所述电压产生单元具有一个电流源，该电流源上串接一个电流源开关Q，电流源开关的输出端连接第一开关K1和第二开关K2的一端，电流源开关的控制端接所述调制信号Vm，第一开关的另一端连接第三开关K3和第一电容C1的一端、还连接比较单元中的第一信号比较器L1的同相输入端、并且输出所述变频调制信号Vms，第三开关和第一电容的另一端接地，第二开关的另一端连接第四开关K4和第二电容C2的一端、还连接比较单元中的第二信号比较器L2的同相输入端，第四开关和第二电容的另一端接地；所述比较单元具有第一信号比较器L1和第二信号比较器L2，第一和第二信号比较器的反相输入端接所述斜波信号Vs，第一和第二信号比较器的输出端接所述RS触发器的两个输入端；所述RS触发器的两个输出端分别发出第一时钟信号CLK1和第二时钟信号CLK2，第一时钟信号连接至第一和第四开关K1、K4的控制端，第二时钟信号连接至第二和第三开关K2、K3的控制端。

信号乘法模块105模块的作用：改造前的电路电磁干扰大，信号乘法模块105模块的作用是大大增强了电路抗电磁干扰的能力。其原理是随着调制信号Vm的电压逐渐上升（参看图12），控制输出的变频调制信号Vms的高脉冲的宽度逐渐增宽；随着调制信号Vm的电压逐渐下降，变频调制信号Vms的高脉冲的宽度逐渐变窄；变频调制信号Vms的波形以斜波信号Vs的波形为模板。也就说有两个固定频率的锯齿波Vs和Vm产生了一个变化频率波形的Vms。我们设所述斜波信号Vs的频率为fo，所述调制信号Vm的频率为fm，变频调制信号Vms的频率变化范围为最小fo-fm、最大fo+fm，变频调制信号Vms的脉宽为2×fm。即：(fo+fm)-(fo-fm)=2×fm。

结合图11下面详细阐述信号乘法模块105模块的组成信号乘法模块105包括：电压产生单元301、比较单元302和RS触发器303，所述电压产生单元301、比较单元302和RS触发器303依次连接，所述RS触发器303连接电压产生单元301。所述电压产生单元301根据调制信号Vm产生电流，根据RS触发器303反馈的第一时钟信号CLK1和第二时钟信号CLK2控制所述电流充电或放电以产生第一充放电电压和第二充放电电压。比较单元302将所述第一充放电电压和第二充放电电压分别与斜波信号Vs进行差值比较后输出第一脉冲信号和第二脉冲信号。RS触发器303对第一脉冲信号和第二脉冲信号进行整形后输出第一时钟信号CLK1和第二时钟信号CLK2。

电压产生单元301包括MOS管Q、第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第一电容C1和第二电容C1，所述MOS管Q为PMOS管。所述MOS管Q的栅极输入调制信号Vm，MOS管Q的源极连接电流源，MOS管Q的漏极连接第一开关K1的一端和第二开关K2的一端，所述第一开关K1的另一端连接比较单元302、第三开关K3的一端和比较器103的反相输入端，所述第二开关K2的另一端连接比较单元302和第四开关K4的一端，所述第三开关K3的一端通过第一电容C1接地，第三开关K3的另一端接地，所述第四开关K4的一端通过第二电容C2接地，第四开关K4的另一端接地，所述第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4的控制端均连接RS触发器303。在具体实施时，所述第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4可以为MOS管（NMOS管）或三极管（NPN三极管）。

比较单元302包括第一信号比较器L1和第二信号比较器L2，所述第一信号比较器L1和第二信号比较器L2的反相输入端均输入斜波信号Vs，第一信号比较器L1的正相输入端连接第一开关K1的另一端和第三开关K3的一端，第二信号比较器L2的正相输入端连接第二开关K2的另一端和第四开关K4的一端，第一信号比较器L1和第二信号比较器L2的输出端均连接RS触发器RS触发器303包括第一与门and1和第二与门and2，所述第一与门and1的第一输入端A连接第一信号比较器L1的输出端，第一与门and1的第二输入端B连接第二与门and2的输出端F，所述第二与门and2的第二输入端B连接第二信号比较器L2的输出端，第二与门and2的第一输入端A连接第一与门and1的输出端F，所述第一与门and1的输出端F连接第一开关K1和第四开关K4的控制端，所述第二与门and2的输出端F连接第二开关K2和第三开关K3的控制端。

调制信号Vm控制从MOS管Q流出的电流的大小。第一开关K1和第三开关K3控制电流对第一电容C1的充放电状态，从而形成相应的第一充放电电压。第二开关K2和第四开关K4控制电流对第二电容C2的充放电状态，从而形成相应的第二充放电电压。第一信号比较器L1比较第一充放电电压与斜波信号Vs的差值后输出第一脉冲信号。第二信号比较器L2比较第二充放电电压与斜波信号Vs的差值后输出第二脉冲信号。第一脉冲信号和第二脉冲信号通过由第一与门and1和第二与门and2组成的RS触发器303去除毛刺、整形，从第一与门and1输出第一时钟信号CLK1，从第二与门and2输出第二时钟信号CLK2。第一时钟信号CLK1返回控制第一开关K1和第四开关K4的通断。第二时钟信号CLK2返回控制第二开关K2和第三开关K3的通断。其中，第一时钟信号CLK1与第二时钟信号CLK2的波形相反。当调制信号Vm变化时，电流随之发生变化，进而引起第一电容C1和第二C2的充放电时间变化，即影响第一充放电电压和第二充放电电压的频率。由于第一充放电电压即是变频调制信号Vms，也即是说变频调制信号Vms的频率发生变化。假设调制信号Vm为三角波信号，则调制信号Vm、第一时钟信号CLK1与变频调制信号Vms的波形如图12所示。从图12中可以看出，频调制信号Vms的频率随着调制信号Vm的电压值的变化而变化，第一时钟信号CLK1的周期也随之发生改变。

在上述过程中，斜波信号Vs被调制信号Vm调制之后得到变频调制信号Vms。假设斜波信号Vs的频率为fo（即图6所示现有技术中的第一开关信号S1和第二开关信号S2的频率fo）,调制信号Vm的频率为fm，依据信号调制理论，变频调制信号Vms的信号带宽被展宽为2×fm，而其功率峰值将比斜波信号Vs的功率峰值低。对本实施例提供的开关电源装置仿真得到的变频调制信号Vms的频谱如图7中实线所示。也即是说，变频调制信号Vms、脉冲信号Vc、第一开关信号S1、第二开关信号S2的频谱相同。斜波信号Vs的频谱如图7中虚线所示。从图7中可以看出，调频信号Vms的信号带宽变为2×fm，且其功率峰值A1要比斜波信号Vs的功率峰值A0低。调频信号Vms的这一特性将依次传递到脉冲信号Vc、第一功率开关控制信号S1、第二功率开关控制信号S2上。从而导致第一功率开关控制信号S1和第二功率开关控制信号S2的信号带宽也被展宽为2×fm，其功率峰值将比现有技术中的功率峰值低。因此第一功率开关SW1、第二功率开关SW2带来的电磁干扰的频谱特性也具有变频调制信号Vms的频谱特性，这样电磁干扰的功率峰值将降低，也即是降低电磁干扰。并且，对于开关电源来说，这种频谱特性可以减少对外部滤波器的需求，简化系统的设计。

在具体实施时，所述调制信号Vm采用正弦信号、三角波信号、方波信号中的一种,或者这些信号的不同组合，也可以是非周期的信号。

以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

Claims (4)

1.一种开关电源宽频控制电路，包括串接在开关电源主回路中的第一功率开关（SW1）和第二功率开关（SW2），其特征在于：在开关电源正、负输出端之间串接第一电阻（R1）和第二电阻（R2），第一和第二电阻的连接点上的反馈电压（Vf）连接至误差放大及斜坡补偿电路（104）的输入端，误差放大及斜坡补偿电路输出端上的比较信号（Ve）连接至比较器（103）的一个输入端，还包括一个信号乘法模块（105），信号乘法模块的两个输入端分别接斜波信号（Vs）和调制信号（Vm），信号乘法模块输出的变频调制信号（Vms）连接至比较器（103）的另一个输入端，比较器输出端上的脉冲信号（Vc）连接至逻辑控制模块（102）的输入端,逻辑控制模块输出端输出第一功率开关控制信号（S1）、并通过反相器（101）获得第二功率开关控制信号（S2），第一和第二功率开关控制信号分别接所述第一和第二功率开关的控制端。

2.如权利要求1所述的开关电源宽频控制电路，其特征在于：所述信号乘法模块包含彼此连接的电压产生单元（301）、比较单元（302）和RS触发器（303），

所述电压产生单元具有一个电流源，该电流源上串接一个电流源开关（Q），电流源开关的输出端连接第一开关（K1）和第二开关（K2）的一端，电流源开关的控制端接所述调制信号（Vm），第一开关的另一端连接第三开关（K3）和第一电容（C1）的一端、还连接比较单元中的第一信号比较器（L1）的同相输入端、并且输出所述变频调制信号（Vms），第三开关和第一电容的另一端接地，第二开关的另一端连接第四开关（K4）和第二电容（C2）的一端、还连接比较单元中的第二信号比较器（L2）的同相输入端，第四开关和第二电容的另一端接地；

所述比较单元具有第一信号比较器（L1）和第二信号比较器（L2），第一和第二信号比较器的反相输入端接所述斜波信号（Vs），第一和第二信号比较器的输出端接所述RS触发器的两个输入端；

所述RS触发器的两个输出端分别发出第一时钟信号（CLK1）和第二时钟信号（CLK2），第一时钟信号连接至第一和第四开关（K1、K4）的控制端，第二时钟信号连接至第二和第三开关（K2、K3）的控制端。

3.如权利要求2所述的开关电源宽频控制电路，其特征在于：所述调制信号（Vm）采用正弦信号、三角波信号、方波信号中的一种。

4.如权利要求3所述的开关电源宽频控制电路，其特征在于：所述斜波信号（Vs）的频率为fo_，所述调制信号（Vm）的频率为fm，变频调制信号（Vms）的频率变化范围为最小fo-fm、最大fo+fm，变频调制信号（Vms）的脉宽为2×fm。