TWI805423B - 切換式電源轉換器及其主動電磁干擾濾波器電路 - Google Patents

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Abstract

一種切換式電源轉換器，包括：功率級電路，包括至少一電晶體，用以切換電感以將輸入電源轉換為輸出電源；以及主動電磁干擾濾波器(Active EMI Filter, AEF)電路，包括至少一放大器，其中至少一放大器用以感測雜訊輸入訊號，並放大雜訊輸入訊號而產生雜訊消除訊號，其中雜訊輸入訊號相關於功率級電路切換時所產生的切換雜訊，其中雜訊消除訊號用以注入切換式電源轉換器的輸入節點，以抑制切換雜訊並因此降低電磁干擾，其中輸入電源經由輸入節點而對功率級電路供電。

Description

切換式電源轉換器及其主動電磁干擾濾波器電路
本發明係有關一種切換式電源轉換器，特別是指一種利用主動電磁干擾濾波器(Active EMI Filter,AEF)電路以降低電磁干擾的切換式電源轉換器。本發明也有關於用以避免切換式電源轉換器中功率級電路切換時所造成的電磁干擾(electro-magnetic interference,EMI)的主動電磁干擾濾波器電路。
關於消除切換雜訊，使用與本發明不同方式的相關先前技術包括：R.Goswami,S.Wang and Y.Chu,"Design of an active differential mode current filter for a boost power factor correction AC-DC converter," 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),Montreal,QC,2015,pp.4375-4382.
愈來愈多電子裝置被使用在現代車輛中，電磁干擾的議題在切換式電源轉換器中也變得愈來愈挑戰，特別是在高電流的應用中。為了降低電磁干擾雜訊以達成國際標準(例如CISPR 25)，先前技術中經常使用如圖1所示的被動電磁干擾濾波器80，以減輕先前技術之切換式電源轉換器101所產生的電磁干擾，其中被動電磁干擾濾波器80包括濾波電感Lf、濾波電容 Cf以及電阻電容阻尼電路(包括電容Cd及電阻Rd)。然而，被動電磁干擾濾波器80必需使用大電感及大電容以達成足夠的雜訊濾波效果，因此將造成尺寸增加、耗費成本等問題。
鑑於上述，本發明提出一種具有主動電磁干擾濾波器電路的切換式電源轉換器。相較於先前技術，根據本發明使用主動電磁干擾濾波器電路的切換式電源轉換器，可大幅降低尺寸與成本。
就其中一個觀點言，本發明提供了一種切換式電源轉換器，包含：一功率級電路，包括至少一電晶體，用以切換一電感以將一輸入電源轉換為一輸出電源；一切換控制器，用以控制該至少一電晶體；以及一主動電磁干擾濾波器(Active EMI Filter,AEF)電路，包括至少一放大器，其中該至少一放大器用以感測一雜訊輸入訊號，並放大該雜訊輸入訊號而產生一雜訊消除訊號，其中該雜訊輸入訊號相關於該功率級電路切換時所產生的一切換雜訊，其中該雜訊消除訊號用以注入該切換式電源轉換器的一輸入節點，以抑制該切換雜訊並因此降低電磁干擾，其中該輸入電源經由該輸入節點而對該功率級電路供電。
在一較佳實施例中，該切換式電源轉換器更包含一感測電阻，其中該感測電阻的一第一端耦接於該輸入節點，且該感測電阻的一第二端耦接於該功率級電路，其中該雜訊輸入訊號根據該感測電阻的一跨壓而產生。
在一較佳實施例中，其中該至少一放大器包括一放大器，其中該放大器的一反相輸入端經由一第一輸入電容而耦接於該感測電阻的該第二端，且該放大器的一非反相輸入端經由一第二輸入電容而耦接於該感 測電阻的該第一端，藉此使該雜訊輸入訊號的交流成分(alternating current component,AC component)自該感測電阻被差動耦合；其中該雜訊消除訊號由該放大器的一輸出端產生，其中該雜訊消除訊號經由一注入電容而耦接於該感測電阻的該第一端，藉此使得該雜訊消除訊號的交流成分注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
在一較佳實施例中，其中該主動電磁干擾濾波器電路更包括一第一輸入電阻及一第二輸入電阻，分別串聯耦接於該第一輸入電容及該第二輸入電容。
在一較佳實施例中，其中該至少一放大器包括一第一放大器及一第二放大器，其中該第一放大器的一反相輸入端經由一第一輸入電容而耦接於該感測電阻的該第一端，且該第一放大器的一非反相輸入端經由一第二輸入電容而耦接於該感測電阻的該第二端，藉此使該雜訊輸入訊號的交流成分(alternating current component,AC component)自該感測電阻被差動耦合；其中該第二放大器的一反相輸入端經由一直流阻隔電容而耦接於該第一放大器的一輸出端，其中該雜訊消除訊號由該第二放大器的一輸出端產生，其中該雜訊消除訊號經由一注入電容而耦接於該感測電阻的該第一端，藉此使得該雜訊消除訊號的交流成分注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
在一較佳實施例中，其中該第一放大器的該反相輸入端更經由並聯於該第一輸入電容的一第一輸入電阻而耦接於該感測電阻的該第一端，且該第一放大器的該非反相輸入端更經由並聯於該第二輸入電容的一第二輸入電阻而耦接於該感測電阻的該第二端，藉此使該雜訊輸入訊號的交流成分與直流成分(direct current component,DC component)自該感測電阻被差動耦合。
在一較佳實施例中，其中一交流耦合比高於一直流耦合比，其中該交流耦合比與該直流耦合比係指該雜訊輸入訊號耦合至該第一放大器的該反相輸入端與該非反相輸入端之耦合比例。
在一較佳實施例中，該切換式電源轉換器更包含一被動濾波器電路，其中該被動濾波器電路耦接於該感測電阻與該功率級電路之間，其中該被動濾波器電路包括一濾波電感及一濾波電容，用以更進一步將該雜訊輸入訊號濾波。
在一較佳實施例中，該切換式電源轉換器更包含一被動濾波器電路，其中該被動濾波器電路耦接於該輸入節點與該功率級電路之間，其中該被動濾波器電路包括一濾波電感及一濾波電容，用以更進一步將該雜訊輸入訊號濾波。
在一較佳實施例中，其中該切換式電源轉換器更包含一緩衝電路，其中該緩衝電路包括一緩衝電容及一緩衝電阻，其中該緩衝電容及該緩衝電阻串聯耦接於一切換節點，其中該切換節點耦接於該電感的一端；其中該至少一放大器包括一放大器，配置為一非反相放大級，其中該放大器的一非反相輸入端經由該緩衝電路及一輸入電容而耦接於該切換節點，其中該輸入電容耦接於該緩衝電容與該緩衝電阻所耦接的一共用節點，且該放大器的一反相輸入端經由一直流阻隔電容而耦接於一接地節點，藉此使得該雜訊輸入訊號的交流成分自該感測電阻被耦合；其中該雜訊消除訊號由該放大器的一輸出端產生，且經由一注入電容注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
在一較佳實施例中，其中該至少一電晶體包括一上橋電晶體及/或一下橋電晶體，彼此耦接於該切換節點，用以切換該電感的一端；其 中該雜訊輸入訊號相關於該上橋電晶體的一汲源極電流及/或該下橋電晶體的一汲源極電流。
在一較佳實施例中，該切換式電源轉換器配置為以下至少一項：a.其中該至少一放大器包括一第一放大器，配置為一非反相放大級，其中該第一放大器的一非反相輸入端耦接於一第一感測元件，其中該第一感測元件用以經由一第一輸入電容而感測該上橋電晶體的該汲源極電流，藉此使得該雜訊輸入訊號的交流成分自該第一感測元件被耦合，且該第一放大器的一反相輸入端經由一第一直流阻隔電容而耦接於一接地節點；及/或b.其中該至少一放大器包括一第二放大器，配置為一反相放大級，其中該第二放大器的一反相輸入端耦接於一第二感測元件，其中該第二感測元件用以經由一第二輸入電容而感測該下橋電晶體的該汲源極電流，藉此使得該雜訊輸入訊號的交流成分自該第二感測元件被耦合，且該第二放大器的一非反相輸入端耦接於一直流電壓；其中該雜訊消除訊號根據該第一放大器及/或該第二放大器而產生，且注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
在一較佳實施例中，其中該第一放大器所產生的一第一輸出訊號及該第二放大器所產生的一第二輸出訊號疊加以產生該雜訊消除訊號。
在一較佳實施例中，其中該至少一放大器更包括一第三放大器，配置為一非反相加法器電路，其中該第三放大器的一非反相輸入端經由一第二直流阻隔電容而耦接於該第一放大器的一輸出端，且經由一第三直流阻隔電容而耦接於該第二放大器的一輸出端，使得該第一輸出訊號的交流成分與該第二輸出訊號的交流成分疊加；其中該雜訊消除訊號由該第三放大器的一輸出端產生，且經由一注入電容注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
就另一個觀點言，本發明也提供了一種主動電磁干擾濾波器電路，用於一切換式電源轉換器，其中該切換式電源轉換器包括：一功率級電路，包括至少一電晶體，用以切換一電感以將一輸入電源轉換為一輸出電源，該主動電磁干擾濾波器電路包含：至少一放大器；以及複數被動濾波元件，耦接於該至少一放大器；其中該至少一放大器用以感測一雜訊輸入訊號，並放大該雜訊輸入訊號而產生一雜訊消除訊號，其中該雜訊輸入訊號相關於該功率級電路切換時所產生的一切換雜訊，其中該雜訊消除訊號用以注入該切換式電源轉換器的一輸入節點，以抑制該切換雜訊並因此降低電磁干擾，其中該輸入電源經由該輸入節點而對該功率級電路供電。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
10:功率級電路
101,102,104,106,108,110,112A,112B:切換式電源轉換器
30,32,33,34,35:主動電磁干擾濾波器電路
310,320,330,340,350,360:放大器
40:緩衝電路
50:線路阻抗穩定網路
80:被動電磁干擾濾波器
80’:被動濾波器電路
90:電池
Cd:電容
Cd’:阻尼電容
Cdc:直流阻隔電容
Cdc1~Cdc4:直流阻隔電容
Cf:濾波電容
CFB1,CFB2:回授電容
CIN:輸入電容
CINJ:注入電容
CS1,CS2:輸入電容
Csnub:緩衝電容
Fsw:切換頻率
HG:訊號
IdsH:汲源極電流
IdsL:汲源極電流
Iin:輸入電流
I_inj:雜訊消除訊號
ILx:電感電流
Iout:輸出電流
Lf,Lf’:濾波電感
LG:訊號
Load:負載
Lx:電感
NII:輸入節點
NLx:切換節點
Nsn:共用節點
QH:上橋電晶體
QL:下橋電晶體
Rd:電阻
Rd’:阻尼電阻
Rfb1~Rfb3:回授電阻
Ri1,Ri2:輸入電阻
Rs:感測電阻
Rs1,Rs2:電阻
Rsnub:緩衝電阻
Tsw:週期
Vcomp:補償訊號
VcsH:感測訊號
VcsL:感測訊號
Vin:輸入電壓
VLx:切換節點電壓
Vnoise:雜訊輸入訊號
Vout:輸出電壓
Vref:直流參考電壓
圖1顯示先前技術之切換式電源轉換器。
圖2顯示本發明之切換式電源轉換器之一較佳實施例示意圖。
圖3顯示由分析器(耦接於線路阻抗穩定網路50)量測所得的快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform,FFT)頻率響應圖。
圖4顯示本發明之切換式電源轉換器之一較佳實施例示意圖。
圖5顯示由分析器(耦接於線路阻抗穩定網路50)量測所得的快速傅立葉轉換頻率響應圖。
圖6顯示本發明之切換式電源轉換器之一較佳實施例示意圖。
圖7顯示由分析器(耦接於線路阻抗穩定網路50)量測所得的快速傅立葉轉換頻率響應圖。
圖8顯示本發明之切換式電源轉換器之一較佳實施例示意圖。
圖9顯示由分析器(耦接於線路阻抗穩定網路50)量測所得的快速傅立葉轉換頻率響應圖。
圖10顯示本發明之切換式電源轉換器之一較佳實施例示意圖。
圖11顯示由分析器(耦接於線路阻抗穩定網路50)量測所得的快速傅立葉轉換頻率響應圖。
圖12A顯示本發明之切換式電源轉換器之一較佳實施例示意圖。
圖12B顯示本發明之切換式電源轉換器之一更具體實施例示意圖。
圖13顯示對應於圖8、圖10、圖12B實施例之操作波形圖。
圖14顯示由分析器(耦接於線路阻抗穩定網路50)量測所得的快速傅立葉轉換頻率響應圖。
圖15顯示先前技術及上述所有實施例根據本發明具有不同主動電磁干擾濾波器電路(AEF)的切換式電源轉換器之雜訊比較表。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各電路間之耦接關係，以及各訊號波形之間之關係，至於電路、訊號波形與頻率則並未依照比例繪製。
圖2顯示本發明之切換式電源轉換器之一較佳實施例示意圖。切換式電源轉換器102包含功率級電路10及主動電磁干擾濾波器電路30。功率級電路10包括至少一電晶體，用以切換電感Lx以將輸入電源轉換為輸出電源。主動電磁干擾濾波器電路30用以感測雜訊輸入訊號Vnoise，雜訊輸入訊號Vnoise相關於功率級電路10切換時所產生的切換雜訊(例如切換電晶體QH或電晶體QL時)，主動電磁干擾濾波器電路30也用以放大雜訊輸入訊號Vnoise而產生雜訊消除訊號I_inj。在一實施例中，雜訊消除訊號I_inj注入切換式電源轉換器102的輸入節點NII，以抑制切換雜訊進而降低電磁干擾。本實施例中，輸入電源經由輸入節點NII而對功率級電路供電。
在一實施例中，舉例而言，輸入電源可由電池90提供。輸入電源包括輸入電壓Vin及輸入電流Iin。在一實施例中，輸出電源包括輸出電壓Vout，並提供輸出電流Iout至負載Load。
在一實施例中，功率級電路10包括上橋電晶體QH及下橋電晶體QL，用以藉由控制訊號HG及訊號LG而切換電感Lx。本實施例中，功率級電路10為降壓型轉換器，然而，本發明也能應用於其他類型的切換式轉換器，例如：升壓型、升降壓型、返馳式轉換器等。
需注意的是，線路阻抗穩定網路(line impedance stabilization network,LISN)50耦接於輸入電源及輸入節點NII之間，其中輸入電源經由輸入節點NII而對功率級電路10供電。線路阻抗穩定網路及分析器用以量測功率級電路10所造成的切換雜訊之位準、及主動電磁干擾濾波器電路30所達成的電磁干擾抑制效果。需注意的是，在一實施例中，線路阻抗穩定網路可被省略，亦即輸入電源在實際應用中可以直接耦接於輸入節點NII。
具體而言，在一實施例中，主動電磁干擾濾波器電路30包括至少一放大器，其中該至少一放大器用以感測雜訊輸入訊號Vnoise，並放大雜訊輸入訊號Vnoise而產生雜訊消除訊號I_inj。
請繼續參閱圖2，在本實施例中，切換式電源轉換器102更包含感測電阻Rs，感測電阻Rs的第一端耦接於輸入節點NII，且感測電阻Rs的第二端耦接於功率級電路10，雜訊輸入訊號Vnoise根據感測電阻Rs的跨壓而產生。
請繼續參閱圖2，在一實施例中，主動電磁干擾濾波器電路30包括放大器310，放大器310協同圖2所示的被動元件配置為差動放大級。具體而言，放大器310的反相輸入端經由輸入電容CS1而耦接於感測電阻Rs的第二端，且放大器310的非反相輸入端經由輸入電容CS2而耦接於感測電阻Rs的第一端，藉此使雜訊輸入訊號Vnoise的交流成分(alternating current component,AC component)自感測電阻Rs被差動耦合。在一實施例中，主動電磁干擾濾波器電路30更包括輸入電阻Ri1及輸入電阻Ri2，分別串聯耦接於輸入電容CS1及輸入電容CS2。
請繼續參閱圖2，在一實施例中，雜訊消除訊號I_inj由放大器310的輸出端產生。在一實施例中，雜訊消除訊號I_inj經由注入電容CINJ而耦合至感測電阻Rs的第一端，藉此使得雜訊消除訊號I_inj的交流成分注入切換式電源轉換器102的輸入節點NII。在一實施例中，所述的至少一放大器用以將雜訊消除訊號I_inj的相位相反於雜訊輸入訊號Vnoise的相位。
需注意的是，在本實施例中，雜訊輸入訊號Vnoise的直流成分被輸入電容CS1及輸入電容CS2阻隔，且放大器310的輸出訊號的直流成分被注入電容CINJ阻隔。在一實施例中，回授電容CFB1及回授電阻並聯耦 接於回授架構的輸出端及反相端之間，回授電容CFB2及回授電阻自非反相端並聯耦接至直流參考電壓Vref。
圖3顯示由分析器(耦接於線路阻抗穩定網路50)量測所得，分別對應於圖1先前技術及切換式電源轉換器102的快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform,FFT)頻率響應圖。需注意的是，如圖3中基頻至所有高次諧波所示，使用主動電磁干擾濾波器電路的切換式電源轉換器102，皆可有效改善對於切換雜訊的抑制效果。
圖4顯示本發明之切換式電源轉換器之一較佳實施例示意圖。圖4中的切換式電源轉換器104相似於圖2中的切換式電源轉換器102。在本實施例中，切換式電源轉換器104包括放大器320及放大器330。放大器320配置為差動放大級。放大器320的反相輸入端經由互相並聯耦接的輸入電阻Ri1與輸入電容CS1而耦接至感測電阻Rs的第一端，放大器320的非反相輸入端經由互相並聯耦接的輸入電阻Ri2與輸入電容CS2而耦接至感測電阻Rs的第二端，藉此使得雜訊輸入訊號Vnoise的交流成分與直流成分自感測電阻Rs被差動耦合。在一實施例中，回授電阻Rfb1耦接於回授架構中放大器320的輸出端與反相輸入端之間，回授電阻Rfb2自非反相輸入端耦接至直流參考電壓Vref。在一實施例中，回授電阻Rfb1的阻抗與回授電阻Rfb2相同，輸入電阻Ri1的阻抗與輸入電阻Ri2相同。
就其中一個觀點言，切換式電源轉換器104的輸入電容CS1與輸入電容CS2可配置為前饋電容，以避免電阻網路的交流成分被分離。換言之，交流耦合比高於直流耦合比，其中交流耦合比與直流耦合比係指雜訊輸入訊號Vnoise耦合至放大器320的反相輸入端與非反相輸入端之耦合比例。
請繼續參閱圖4，放大器330配置為單端反相放大器。放大器330的反相輸入端經由直流阻隔電容Cdc而耦接於放大器320的輸出端，放大 器330的非反相輸入端耦接於直流參考電壓Vref。雜訊消除訊號I_inj由放大器330的輸出端產生，且雜訊消除訊號I_inj經由注入電容CINJ而耦接於感測電阻Rs的第一端，藉此使得雜訊消除訊號I_inj的交流成分注入切換式電源轉換器104的輸入節點NII。回授電阻Rfb3耦接於放大器330的輸出端與反相輸入端之間，藉此回授控制。需注意的是，在一實施例中，放大器(例如放大器310、放大器320及放大器330)可以為單電源供電放大器，以下放大器亦同。
請繼續參閱圖2與圖4，切換式電源轉換器102及切換式電源轉換器104分別更包含被動濾波器電路80’。在一實施例中，被動濾波器電路80’耦接於感測電阻Rs與功率級電路10之間，被動濾波器電路80’包括濾波電感Lf’、阻尼電容Cd’及阻尼電阻Rd’，用以更進一步將雜訊輸入訊號Vnoise濾波。需注意的是，相較於先前技術，本發明藉由主動電磁干擾濾波器電路對於降低電磁干擾的效果，使得被動濾波器電路80’中所需的濾波電感Lf’的電感值、阻尼電容Cd’的電容值可大幅降低，且本發明能省略先前技術圖1中的濾波電容，因此能更節省成本。還需注意的是，輸入電容CIN可配置為耦接於被動濾波器電路80’及功率級電路10之間的連接節點。
圖5顯示由分析器(耦接於線路阻抗穩定網路50)量測所得，分別對應於圖1先前技術及切換式電源轉換器104的快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform,FFT)頻率響應圖。需注意的是，如圖5中基頻至所有高次諧波所示，使用主動電磁干擾濾波器電路的切換式電源轉換器104，可有效改善對於切換雜訊的抑制效果。
圖6顯示本發明之切換式電源轉換器之一較佳實施例示意圖。在一實施例中，雜訊輸入訊號Vnoise相關於功率級的切換節點NLx。
切換式電源轉換器106更包含緩衝電路40，緩衝電路40包括緩衝電容Csnub及緩衝電阻Rsnub，其中緩衝電容Csnub及緩衝電阻Rsnub串聯耦接於切換節點NLx，切換節點NLx耦接於電感Lx的一端。
在本實施例中，主動電磁干擾濾波器電路32的放大器340配置為非反相放大級，放大器340的非反相輸入端經由緩衝電路40及一輸入電容CS1而耦接於切換節點NLx，輸入電容CS1耦接於緩衝電容Csnub與緩衝電阻Rsnub所耦接的共用節點Nsn。雜訊消除訊號I_inj由放大器340的輸出端產生，雜訊消除訊號I_inj經由注入電容CINJ耦接於輸入節點NII，具體而言，雜訊消除訊號I_inj的交流成分注入切換式電源轉換器106的輸入節點NII。
請繼續參閱圖6，切換式電源轉換器106更包含被動濾波器電路80’。在一實施例中，被動濾波器電路80’耦接於輸入節點NII與功率級電路10之間。
圖7顯示由分析器(耦接於線路阻抗穩定網路50)量測所得，分別對應於圖1先前技術及切換式電源轉換器106的快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform,FFT)頻率響應圖。需注意的是，如圖7中基頻至所有高次諧波所示，使用主動電磁干擾濾波器電路的切換式電源轉換器106，可有效改善對於切換雜訊的抑制效果。
圖8顯示本發明之切換式電源轉換器之一較佳實施例示意圖。圖10顯示本發明之切換式電源轉換器之一較佳實施例示意圖。圖12B顯示本發明之切換式電源轉換器之一較佳實施例示意圖。在上述實施例中，切換式電源轉換器108、切換式電源轉換器110、切換式電源轉換器112B中的功率級電路10皆包括上橋電晶體QH及下橋電晶體QL，彼此耦接於切換節點NLx，用以切換電感Lx的一端。在上述實施例中，功率級電路10配置為降壓 式轉換器。在本實施例中，雜訊輸入訊號Vnoise相關於上橋電晶體QH的汲源極電流IdsH及/或下橋電晶體QL的汲源極電流IdsL。
請參閱圖8，主動電磁干擾濾波器電路33包括放大器340，放大器340配置為非反相放大級，放大器340的非反相輸入端耦接於感測元件，感測元件用以經由輸入電容CS1而感測上橋電晶體QH的汲源極電流IdsH，藉此使得雜訊輸入訊號Vnoise的交流成分自感測元件經輸入電容CS1而被耦合。在一實施例中，感測元件例如可以為電流鏡，用以鏡像一部分汲源極電流IdsH，且電阻Rs1用以將鏡像電流轉換為相關於雜訊輸入訊號Vnoise的感測電壓。在一實施例中，感測元件例如可以為感測電阻，串聯耦接於上橋電晶體QH。放大器340的反相輸入端經由直流阻隔電容Cdc1而耦接於接地節點。
請繼續參閱圖8，雜訊消除訊號I_inj由放大器340的輸出端產生，雜訊消除訊號I_inj經由注入電容CINJ而耦接於輸入節點NII。具體而言，雜訊消除訊號I_inj的交流成分注入切換式電源轉換器108的輸入節點NII。
圖9顯示由分析器(耦接於線路阻抗穩定網路50)量測所得，分別對應於圖1先前技術及切換式電源轉換器108的快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform,FFT)頻率響應圖。需注意的是，如圖9中基頻至所有高次諧波所示，使用主動電磁干擾濾波器電路的切換式電源轉換器108，可有效改善對於切換雜訊的抑制效果。
請參閱圖10，主動電磁干擾濾波器電路34包括放大器350，放大器350配置為反相放大級，放大器350的反相輸入端耦接於感測元件，感測元件用以經由輸入電容CS2而感測下橋電晶體QL的汲源極電流IdsL，藉此使得雜訊輸入訊號Vnoise的交流成分自感測元件經輸入電容CS2而被耦合。在一實施例中，感測元件例如可以為電流鏡，用以鏡像一部分汲源極電流IdsL， 且電阻Rs2用以將鏡像電流轉換為相關於雜訊輸入訊號Vnoise的感測電壓。在一實施例中，感測元件例如可以為感測電阻，串聯耦接於下橋電晶體QL。放大器350的非反相輸入端耦接於直流參考電壓Vref。
請繼續參閱圖10，雜訊消除訊號I_inj由放大器350的輸出端產生，雜訊消除訊號I_inj經由注入電容CINJ而耦接於輸入節點NII。具體而言，雜訊消除訊號I_inj的交流成分注入切換式電源轉換器110的輸入節點NII。
圖11顯示由分析器(耦接於線路阻抗穩定網路50)量測所得，分別對應於圖1先前技術及切換式電源轉換器110的快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform,FFT)頻率響應圖。需注意的是，如圖11中基頻至所有高次諧波所示，使用主動電磁干擾濾波器電路的切換式電源轉換器110，可有效改善對於切換雜訊的抑制效果。
圖12A顯示本發明之切換式電源轉換器之一較佳實施例示意圖。切換式電源轉換器112A是切換式電源轉換器108及切換式電源轉換器110的結合。在一實施例中，如圖12A所示，放大器340及放大器350的輸出端相加後經由注入電容CINJ而注入切換式電源轉換器112A的輸入節點NII。
圖12B顯示對應於圖12A的一更具體實施例示意圖。
請繼續參閱圖12B，切換式電源轉換器112B的主動電磁干擾濾波器電路35包括放大器360，放大器360配置為非反相加法器電路。放大器360的非反相輸入端經由直流阻隔電容Cdc2而耦接於放大器340的輸出端，且經由直流阻隔電容Cdc3而耦接於放大器350的輸出端，使得放大器340的輸出端所產生的輸出訊號之交流成分與放大器350的輸出端所產生的輸出訊號之交流成分經由放大器360疊加並放大，放大器360的反相輸入端經由直流阻隔電容Cdc4而耦接於接地節點。
請繼續參閱圖12B，雜訊消除訊號I_inj由放大器360的輸出端產生，雜訊消除訊號I_inj經由注入電容CINJ而耦接於輸入節點NII。具體而言，雜訊消除訊號I_inj的交流成分注入切換式電源轉換器112B的輸入節點NII。
圖13顯示對應於圖8、圖10、圖12B實施例之操作波形圖。第一波形顯示切換節點NLx上的切換節點電壓VLx之波形。第二波形顯示相關於電感電流ILx且係根據上橋電晶體QH的汲源極電流IdsH所感測的感測訊號VcsH之波形。第三波形顯示相關於電感電流ILx且係根據下橋電晶體QL的汲源極電流IdsL所感測的感測訊號VcsL之波形。第四波形顯示雜訊輸入訊號Vnoise之波形。第五波形顯示感測訊號VcsH及感測訊號VcsL疊加並放大後所得的雜訊消除訊號I_inj之波形，其中直流成分被注入電容(例如CINJ)阻隔。第六波形顯示雜訊輸入訊號Vnoise經雜訊消除訊號I_inj抵銷後的補償訊號Vcomp之波形。補償訊號Vcomp的位準相較於雜訊輸入訊號Vnoise大幅降低。需注意的是，根據本發明之切換式電源轉換器的切換頻率為Fsw，Tsw則是對應於切換頻率為Fsw的週期，其中Fsw=1/Tsw。
圖14顯示由分析器(耦接於線路阻抗穩定網路50)量測所得，分別對應於圖1先前技術及切換式電源轉換器112B的快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform,FFT)頻率響應圖。需注意的是，如圖14中基頻至所有高次諧波所示，使用主動電磁干擾濾波器電路的切換式電源轉換器112B，可有效改善對於切換雜訊的抑制效果。
圖15顯示先前技術(無主動電磁干擾濾波器電路)及上述所有實施例根據本發明具有不同主動電磁干擾濾波器電路(AEF)的切換式電源轉換器之雜訊比較表。如圖15所示，相較於先前技術，根據本發明的所有實施例都達成良好的改善。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。所說明之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，舉例而言，兩個或以上之實施例可以組合運用，而一實施例中之部分組成亦可用以取代另一實施例中對應之組成部件。此外，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，舉例而言，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算或產生某輸出結果」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行電壓電流轉換、電流電壓轉換、及/或比例轉換等，之後根據轉換後的訊號進行處理或運算產生某輸出結果。由此可知，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，其組合方式甚多，在此不一一列舉說明。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
10:功率級電路
102:切換式電源轉換器
30:主動電磁干擾濾波器電路
310:放大器
50:線路阻抗穩定網路
80’:被動濾波器電路
90:電池
Cd’:阻尼電容
CFB1:回授電容
CFB2:回授電容
CIN:輸入電容
CINJ:注入電容
CS1:輸入電容
CS2:輸入電容
HG:訊號
Iin:輸入電流
I_inj:雜訊消除訊號
ILx:電感電流
Iout:輸出電流
Lf’:濾波電感
LG:訊號
Lx:電感
NII:輸入節點
NLx:切換節點
QH:上橋電晶體
QL:下橋電晶體
Rd’:阻尼電阻
Ri1:輸入電阻
Ri2:輸入電阻
Rs:感測電阻
Vin:輸入電壓
VLx:切換節點電壓
Vnoise:雜訊輸入訊號
Vout:輸出電壓
Vref:直流參考電壓

Claims (28)

  1. 一種切換式電源轉換器，包含： 一功率級電路，包括至少一電晶體，用以切換一電感以將一輸入電源轉換為一輸出電源； 一切換控制器，用以控制該至少一電晶體；以及 一主動電磁干擾濾波器(Active EMI Filter, AEF)電路，包括至少一放大器，其中該至少一放大器用以感測一雜訊輸入訊號，並放大該雜訊輸入訊號而產生一雜訊消除訊號，其中該雜訊輸入訊號相關於該功率級電路切換時所產生的一切換雜訊，其中該雜訊消除訊號用以注入該切換式電源轉換器的一輸入節點，以抑制該切換雜訊並因此降低電磁干擾，其中該輸入電源經由該輸入節點而對該功率級電路供電。
  2. 如請求項1所述之切換式電源轉換器，更包含一感測電阻，其中該感測電阻的一第一端耦接於該輸入節點，且該感測電阻的一第二端耦接於該功率級電路，其中該雜訊輸入訊號根據該感測電阻的一跨壓而產生。
  3. 如請求項2所述之切換式電源轉換器，其中該至少一放大器包括一放大器，其中該放大器的一反相輸入端經由一第一輸入電容而耦接於該感測電阻的該第二端，且該放大器的一非反相輸入端經由一第二輸入電容而耦接於該感測電阻的該第一端，藉此使該雜訊輸入訊號的交流成分(alternating current component, AC component)自該感測電阻被差動耦合； 其中該雜訊消除訊號由該放大器的一輸出端產生，其中該雜訊消除訊號經由一注入電容而耦接於該感測電阻的該第一端，藉此使得該雜訊消除訊號的交流成分注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
  4. 如請求項3所述之切換式電源轉換器，其中該主動電磁干擾濾波器電路更包括一第一輸入電阻及一第二輸入電阻，分別串聯耦接於該第一輸入電容及該第二輸入電容。
  5. 如請求項2所述之切換式電源轉換器，其中該至少一放大器包括一第一放大器及一第二放大器，其中該第一放大器的一反相輸入端經由一第一輸入電容而耦接於該感測電阻的該第一端，且該第一放大器的一非反相輸入端經由一第二輸入電容而耦接於該感測電阻的該第二端，藉此使該雜訊輸入訊號的交流成分(alternating current component, AC component)自該感測電阻被差動耦合； 其中該第二放大器的一反相輸入端經由一直流阻隔電容而耦接於該第一放大器的一輸出端，其中該雜訊消除訊號由該第二放大器的一輸出端產生，其中該雜訊消除訊號經由一注入電容而耦接於該感測電阻的該第一端，藉此使得該雜訊消除訊號的交流成分注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
  6. 如請求項5所述之切換式電源轉換器，其中該第一放大器的該反相輸入端更經由並聯於該第一輸入電容的一第一輸入電阻而耦接於該感測電阻的該第一端，且該第一放大器的該非反相輸入端更經由並聯於該第二輸入電容的一第二輸入電阻而耦接於該感測電阻的該第二端，藉此使該雜訊輸入訊號的交流成分與直流成分(direct current component, DC component)自該感測電阻被差動耦合。
  7. 如請求項6所述之切換式電源轉換器，其中一交流耦合比高於一直流耦合比，其中該交流耦合比與該直流耦合比係指該雜訊輸入訊號耦合至該第一放大器的該反相輸入端與該非反相輸入端之耦合比例。
  8. 如請求項2所述之切換式電源轉換器，更包含一被動濾波器電路，其中該被動濾波器電路耦接於該感測電阻與該功率級電路之間，其中該被動濾波器電路包括一濾波電感及一濾波電容，用以更進一步將該雜訊輸入訊號濾波。
  9. 如請求項1所述之切換式電源轉換器，更包含一被動濾波器電路，其中該被動濾波器電路耦接於該輸入節點與該功率級電路之間，其中該被動濾波器電路包括一濾波電感及一濾波電容，用以更進一步將該雜訊輸入訊號濾波。
  10. 如請求項1所述之切換式電源轉換器，其中該切換式電源轉換器更包含一緩衝電路，其中該緩衝電路包括一緩衝電容及一緩衝電阻，其中該緩衝電容及該緩衝電阻串聯耦接於一切換節點，其中該切換節點耦接於該電感的一端； 其中該至少一放大器包括一放大器，配置為一非反相放大級，其中該放大器的一非反相輸入端經由該緩衝電路及一輸入電容而耦接於該切換節點，其中該輸入電容耦接於該緩衝電容與該緩衝電阻所耦接的一共用節點，且該放大器的一反相輸入端經由一直流阻隔電容而耦接於一接地節點，藉此使得該雜訊輸入訊號的交流成分自該感測電阻被耦合； 其中該雜訊消除訊號由該放大器的一輸出端產生，且經由一注入電容注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
  11. 如請求項1所述之切換式電源轉換器，其中該至少一電晶體包括一上橋電晶體及/或一下橋電晶體，彼此耦接於該切換節點，用以切換該電感的一端； 其中該雜訊輸入訊號相關於該上橋電晶體的一汲源極電流及/或該下橋電晶體的一汲源極電流。
  12. 如請求項11所述之切換式電源轉換器，配置為以下至少一項： a. 其中該至少一放大器包括一第一放大器，配置為一非反相放大級，其中該第一放大器的一非反相輸入端耦接於一第一感測元件，其中該第一感測元件用以經由一第一輸入電容而感測該上橋電晶體的該汲源極電流，藉此使得該雜訊輸入訊號的交流成分自該第一感測元件被耦合，且該第一放大器的一反相輸入端經由一第一直流阻隔電容而耦接於一接地節點；及/或 b. 其中該至少一放大器包括一第二放大器，配置為一反相放大級，其中該第二放大器的一反相輸入端耦接於一第二感測元件，其中該第二感測元件用以經由一第二輸入電容而感測該下橋電晶體的該汲源極電流，藉此使得該雜訊輸入訊號的交流成分自該第二感測元件被耦合，且該第二放大器的一非反相輸入端耦接於一直流電壓； 其中該雜訊消除訊號根據該第一放大器及/或該第二放大器而產生， 且注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
  13. 如請求項12所述之切換式電源轉換器，其中該第一放大器所產生的一第一輸出訊號及該第二放大器所產生的一第二輸出訊號疊加以產生該雜訊消除訊號。
  14. 如請求項13所述之切換式電源轉換器，其中該至少一放大器更包括一第三放大器，配置為一非反相加法器電路，其中該第三放大器的一非反相輸入端經由一第二直流阻隔電容而耦接於該第一放大器的一輸出端，且經由一第三直流阻隔電容而耦接於該第二放大器的一輸出端，使得該第一輸出訊號的交流成分與該第二輸出訊號的交流成分疊加； 其中該雜訊消除訊號由該第三放大器的一輸出端產生，且經由一注入電容注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
  15. 一種主動電磁干擾濾波器電路，用於一切換式電源轉換器，其中該切換式電源轉換器包括：一功率級電路，包括至少一電晶體，用以切換一電感以將一輸入電源轉換為一輸出電源，該主動電磁干擾濾波器電路包含： 至少一放大器；以及 複數被動濾波元件，耦接於該至少一放大器； 其中該至少一放大器用以感測一雜訊輸入訊號，並放大該雜訊輸入訊號而產生一雜訊消除訊號，其中該雜訊輸入訊號相關於該功率級電路切換時所產生的一切換雜訊，其中該雜訊消除訊號用以注入該切換式電源轉換器的一輸入節點，以抑制該切換雜訊並因此降低電磁干擾，其中該輸入電源經由該輸入節點而對該功率級電路供電。
  16. 如請求項15所述之主動電磁干擾濾波器電路，其中該切換式電源轉換器更包括一感測電阻，其中該感測電阻的一第一端耦接於該輸入節點，且該感測電阻的一第二端耦接於該功率級電路，其中該雜訊輸入訊號根據該感測電阻的一跨壓而產生。
  17. 如請求項16所述之主動電磁干擾濾波器電路，其中該至少一放大器包括一放大器，其中該放大器的一反相輸入端經由一第一輸入電容而耦接於該感測電阻的該第二端，且該放大器的一非反相輸入端經由一第二輸入電容而耦接於該感測電阻的該第一端，藉此使該雜訊輸入訊號的交流成分(alternating current component, AC component)自該感測電阻被差動耦合； 其中該雜訊消除訊號由該放大器的一輸出端產生，其中該雜訊消除訊號經由一注入電容而耦接於該感測電阻的該第一端，藉此使得該雜訊消除訊號的交流成分注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
  18. 如請求項17所述之主動電磁干擾濾波器電路，更包含一第一輸入電阻及一第二輸入電阻，分別串聯耦接於該第一輸入電容及該第二輸入電容。
  19. 如請求項16所述之主動電磁干擾濾波器電路，其中該至少一放大器包括一第一放大器及一第二放大器，其中該第一放大器的一反相輸入端經由一第一輸入電容而耦接於該感測電阻的該第一端，且該第一放大器的一非反相輸入端經由一第二輸入電容而耦接於該感測電阻的該第二端，藉此使該雜訊輸入訊號的交流成分(alternating current component, AC component)自該感測電阻被差動耦合； 其中該第二放大器的一反相輸入端經由一直流阻隔電容而耦接於該第一放大器的一輸出端，其中該雜訊消除訊號由該第二放大器的一輸出端產生，其中該雜訊消除訊號經由一注入電容而耦接於該感測電阻的該第一端，藉此使得該雜訊消除訊號的交流成分注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
  20. 如請求項19所述之主動電磁干擾濾波器電路，其中該第一放大器的該反相輸入端更經由並聯於該第一輸入電容的一第一輸入電阻而耦接於該感測電阻的該第一端，且該第一放大器的該非反相輸入端更經由並聯於該第二輸入電容的一第二輸入電阻而耦接於該感測電阻的該第二端，藉此使該雜訊輸入訊號的交流成分與直流成分(direct current component, DC component)自該感測電阻被差動耦合。
  21. 如請求項20所述之主動電磁干擾濾波器電路，其中一交流耦合比高於一直流耦合比，其中該交流耦合比與該直流耦合比係指該雜訊輸入訊號耦合至該第一放大器的該反相輸入端與該非反相輸入端之耦合比例。
  22. 如請求項16所述之主動電磁干擾濾波器電路，其中該切換式電源轉換器更包括一被動濾波器電路，其中該被動濾波器電路耦接於該感測電阻與該功率級電路之間，其中該被動濾波器電路包括一濾波電感及一濾波電容，用以更進一步將該雜訊輸入訊號濾波。
  23. 如請求項15所述之主動電磁干擾濾波器電路，其中該切換式電源轉換器更包括一被動濾波器電路，其中該被動濾波器電路耦接於該輸入節點與該功率級電路之間，其中該被動濾波器電路包括一濾波電感及一濾波電容，用以更進一步將該雜訊輸入訊號濾波。
  24. 如請求項15所述之主動電磁干擾濾波器電路，其中該切換式電源轉換器更包括一緩衝電路，其中該緩衝電路包括一緩衝電容及一緩衝電阻，其中該緩衝電容及該緩衝電阻串聯耦接於一切換節點，其中該切換節點耦接於該電感的一端； 其中該至少一放大器包括一放大器，配置為一非反相放大級，其中該放大器的一非反相輸入端經由該緩衝電路及一輸入電容而耦接於該切換節點，其中該輸入電容耦接於該緩衝電容與該緩衝電阻所耦接的一共用節點，且該放大器的一反相輸入端經由一直流阻隔電容而耦接於一接地節點，藉此使得該雜訊輸入訊號的交流成分自該感測電阻被耦合； 其中該雜訊消除訊號由該放大器的一輸出端產生，且經由一注入電容注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
  25. 如請求項15所述之主動電磁干擾濾波器電路，其中該至少一電晶體包括一上橋電晶體及/或一下橋電晶體，彼此耦接於該切換節點，用以切換該電感的一端； 其中該雜訊輸入訊號相關於該上橋電晶體的一汲源極電流及/或該下橋電晶體的一汲源極電流。
  26. 如請求項25所述之主動電磁干擾濾波器電路，配置為以下至少一項： a. 其中該至少一放大器包括一第一放大器，配置為一非反相放大級，其中該第一放大器的一非反相輸入端耦接於一第一感測元件，其中該第一感測元件用以經由一第一輸入電容而感測該上橋電晶體的該汲源極電流，藉此使得該雜訊輸入訊號的交流成分自該第一感測元件被耦合，且該第一放大器的一反相輸入端經由一第一直流阻隔電容而耦接於一接地節點；及/或 b. 其中該至少一放大器包括一第二放大器，配置為一反相放大級，其中該第二放大器的一反相輸入端耦接於一第二感測元件，其中該第二感測元件用以經由一第二輸入電容而感測該下橋電晶體的該汲源極電流，藉此使得該雜訊輸入訊號的交流成分自該第二感測元件被耦合，且該第二放大器的一非反相輸入端耦接於一直流電壓； 其中該雜訊消除訊號根據該第一放大器及/或該第二放大器而產生， 且注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
  27. 如請求項26所述之主動電磁干擾濾波器電路，其中該第一放大器所產生的一第一輸出訊號及該第二放大器所產生的一第二輸出訊號疊加以產生該雜訊消除訊號。
  28. 如請求項27所述之主動電磁干擾濾波器電路，其中該至少一放大器更包括一第三放大器，配置為一非反相加法器電路，其中該第三放大器的一非反相輸入端經由一第二直流阻隔電容而耦接於該第一放大器的一輸出端，且經由一第三直流阻隔電容而耦接於該第二放大器的一輸出端，使得該第一輸出訊號的交流成分與該第二輸出訊號的交流成分疊加； 其中該雜訊消除訊號由該第三放大器的一輸出端產生，且經由一注入電容注入該切換式電源轉換器的該輸入節點。
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