開關電源及其使用的頻率抖動生成裝置和方法
2023-09-23 00:53:30
專利名稱：開關電源及其使用的頻率抖動生成裝置和方法
技術領域：
本發明涉及開關電源，更具體地說，涉及具有頻率抖動生成功能的開關電源及其 使用的頻率抖動生成裝置和方法。
背景技術：
使用開關電源面臨的常見問題是其開關頻率通常較高，而這一高頻信號會耦合到 電網電壓並成為電網電壓的組成部分，從而給其他連接到電網上的用電設備帶來噪聲幹 擾。另外，該高頻信號也會以電磁波的形式傳導或輻射，從而對電源周圍的通信設備產生電 磁幹擾(EMI)。常用的抑制EMI的方法是引入頻率抖動以便將開關頻率擴展到一個較寬的頻帶， 從而降低電源在某個頻率點生成的EMI峰值。現有的頻率抖動EMI衰減技術方案已在圖1 中示出。圖1所示的頻率抖動裝置包括電流控制充/放電振蕩器111、7位數字計數器140 和數模轉換器150。振蕩器111包括可定期充放電的電容134，遲滯比較器136用於檢測電 容134的電壓並生成可控制電容134經充放電電路充電和放電的輸出信號101。接著，該 7位數字計數器140對振蕩器輸出信號101計時，接著該7位數字計數器140輸出驅動D/ A轉換器150，該D/A轉換器150的輸出113連接到振蕩器111的控制輸入端以改變振蕩頻 率。雖然在圖1示出的頻率抖動方案中，無需使用到體積龐大並且昂貴的EMI濾波器， 但是其增加了平均噪聲基值，而這在某些特定應用，如高保真音頻系統中是不能接受的。這 是因為高保真音頻系統在較高音量時其能夠容忍開關電源生成較高的平均輸出噪聲基值， 但是在較輕音量時將變得對噪聲非常敏感。因此，需要一種頻率抖動技術方案，其不但能夠使用便宜、簡單的EMI濾波器來進 行EMI濾波，還能夠在輕負載條件下將開關電源的輸出噪聲保持在較低水平。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述缺陷，提供一種不但能夠使 用便宜、簡單的EMI濾波器來進行EMI濾波，還能夠在輕負載條件下將開關電源的輸出噪聲 保持在較低水平的頻率抖動技術方案。本發明解決上述技術問題所採用的第一技術方案是，構造一種頻率抖動裝置，其 中包括可變狀態機，用於生成可變邏輯數；延時生成器，用於生成延時信號；數字控制脈衝密度生成器，用於根據可變邏輯數和延時信號生成PWM控制信號；PWM控制電流源，用於根據PWM控制信號生成輸出信號；電流控制振蕩器，用於根據PWM控制電流源的輸出信號生成時鐘信號；其中，所述時鐘信號可反饋到可變狀態機以更新可變邏輯數，並由此生成隨時鐘周期改變的抖動時鐘信號。優選地，所述數字控制脈衝密度生成器用於根據所述可變邏輯數生成一組具有不 同高低密度的脈衝。優選地，所述數字控制脈衝密度生成器進一步包括多個串聯的逆變器構成的環形振蕩器；用於生成不同高低密度脈衝序列的組合邏輯電路；由解碼器控制的開關網絡實現的多路選擇器；其中，所述PWM控制信號可通過在環形振蕩器中插入延時信號以及從解碼器接收 可變邏輯數來獲得。優選地，上述脈衝密度函數Pdmsity由等式(1)表示
Tn(n)Pdensity(n)=-等式(1)
TH(n) + TL(n)其中，TH(n)和TL(n)分別表示高、低脈衝寬度。優選地，TH(n) +TL (n)為定值。優選地，可通過將延時生成器生成的延時信號添加到所述脈衝密度函數來生成所 述PWM控制信號Dpwm，並且所述PWM控制信號DPWM可由等式(2)表示
TH(n) + TDDpwM(n)=-等式(2)
TH(n) + TL(n) + TD其中，TD表示延時信號。優選地，PWM控制電流源生成的輸出信號強度可由等式(3)表示IC(DPJ = IsXDpwm等式(3)其中，13是預設恆流源。優選地，抖動時鐘信號的頻率的擺幅百分比可由等式(4)表示
TH(n) + TL(n) AOSC(Vc) =- x 100%等式(4)
TH(n) + TL(n) + TD(Vc)本發明解決上述技術問題所採用的第二技術方案是，構造一種頻率抖動方法，其 中包括S1 生成可變邏輯數；S2 生成延時信號；S3 根據可變邏輯數和延時信號生成PWM控制信號；S4 根據PWM控制信號生成輸出信號；S5 根據所述輸出信號生成時鐘信號；最後，通過時鐘信號的反饋來更新可變邏輯數，並由此生成隨時鐘周期改變的抖 動時鐘信號。優選地，步驟S3進一步包括根據可變邏輯數生成一組具有不同高低密度的脈衝。優選地，脈衝密度函數Pdensity由等式(1)表示TH(n)Pdensity(n)=-等式(1)
TH(n) + TL(n)其中，TH(η)和TL(n)分別表示高、低脈衝寬度。優選地，TH(n) +TL (η)為定值。優選地，可通過將延時生成器生成的延時信號添加到所述脈衝密度函數來生成所 述PWM控制信號Dpwm,並且所述PWM控制信號Dpwm可由等式(2)表示
TH(n) + TdDPWM(n) =-等式(2)
TH(n) + TL(n) + TD其中，Td表示延時信號。優選地，PWM控制電流源生成的輸出信號強度可由等式(3)表示Ic(Dpwm) = IsXDpwm等式(3)其中，Is是預設恆流源。優選地，抖動時鐘信號的頻率的擺幅百分比可由等式⑷表示
TH(n) + TL(n)AOSC(Vc) =- χ 100%等式(4)
TH(n) + TL(n) +Td(Vc)本發明解決上述技術問題所採用的第三技術方案是，構造一種開關電源，所述開 關電源包括輸入電路和輸出電路。其中，開關電源還包括反饋控制迴路，反饋控制迴路又包 括變壓器、控制器、功率開關管，該功率開關管的漏極連接到所述變壓器的原邊線圈、源極 和柵極連接到控制器，輸出電路連接到變壓器的副邊線圈。其中，所述控制器是根據自身生成的具有輸出適應頻率擺幅的抖動頻率和反饋控 制迴路提供的反饋信號來改變開關管的開關周期以調節輸出電壓。優選地，上述控制器進一步包括頻率抖動裝置和PWM控制器，其中頻率抖動裝置 根據反饋控制迴路提供的反饋信號生成具有輸出適應頻率擺幅的抖動頻率；PWM控制器根 據頻率抖動裝置生成的具有輸出適應頻率擺幅的抖動頻率和反饋控制迴路提供的反饋信 號來改變開關管的開關周期以調節輸出電壓。優選地，所述頻率抖動裝置進一步包括可變狀態機，用於生成可變邏輯數；延時生成器，用於生成延時信號；數字控制脈衝密度生成器，用於根據可變邏輯數和延時信號生成PWM控制信號；PWM控制電流源，用於根據PWM控制信號生成輸出信號；電流控制振蕩器，用於根據PWM控制電流源的輸出信號生成時鐘信號；其中，所述時鐘信號可反饋到可變狀態機以更新可變邏輯數，並由此生成隨時鐘 周期改變的抖動時鐘信號。優選地，所述數字控制脈衝密度生成器用於根據所述可變邏輯數生成一組具有不同高低密度的脈衝。優選地，所述數字控制脈衝密度生成器進一步包括
多個串聯的逆變器構成的環形振蕩器；用於生成不同高低密度脈衝序列的組合邏輯電路；由解碼器控制的開關網絡實現的多路選擇器；其中，所述PWM控制信號可通過在環形振蕩器中插入延時信號以及從解碼器接收 可變邏輯數來獲得。優選地，上述脈衝密度函數Pdmsity由等式(1)表示
TH(n)Pdensity(n)=-等式(1)
TH(n) + TL(n)其中，TH(n)和TL(n)分別表示高、低脈衝寬度。優選地，TH(n)+TL(n)為定值。優選地，可通過將延時生成器生成的延時信號添加到所述脈衝密度函數來生成所
述PWM控制信號Dpwm，並且所述PWM控制信號DPWM可由等式(2)表示
TH(n) + TDDP麗(n) =-等式⑵
TH(n) + TL(n) + TD其中，TD表示延時信號。優選地，PWM控制電流源生成的輸出信號強度可由等式(3)表示IC(DPJ = IsXDpwm等式(3)其中，13是預設恆流源。優選地，抖動時鐘信號的頻率的擺幅百分比可由等式(4)表示
TH(n) + TL(n)AOSC(Vc) =- x 100%等式(4)
TH(n) + TL(n) + TD(Vc)採用本發明的開關電源、頻率抖動方案和裝置，可通過使用低成本的EMI濾波器 來進行EMI濾波，還能夠在輕負載條件下將開關電源的輸出噪聲保持在較低水平。而且，本發明的開關電源、頻率抖動方案和裝置還可通過感應負載電流，進而對頻 率抖動的擺幅進行調節。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖1是現有技術的頻率抖動機制的示意圖；圖2是本發明的具有負載適應頻率抖動機制的開關電源的第一實施例的結構框 圖；圖3是根據本發明改變電源的頻率擺幅百分比的信號流程示意圖；圖4是根據圖3的流程圖實施的用於改變開關頻率並具有可控頻率擺幅的頻率抖 動裝置的原理框圖；圖5是圖4中示出的裝置PWM控制、電流控制和振蕩信號的時序圖。
具體實施例方式本發明的各種優點、各個方面和創新特徵，以及其中所示例的實施細節，在說明書和附圖中進行了詳細介紹。雖然文中示出了本發明的各種實施例，但在此是用於說明而非 用於限制本發明的。本發明的主要目的是提供一種頻率抖動方案，其可通過使用低成本的EMI濾波器 來進行EMI濾波，還能夠在輕負載條件下將開關電源的輸出噪聲保持在較低水平。圖2是本發明的具有負載適應頻率抖動機制的開關電源的第一實施例的結構框 圖。該開關電源包括EMI濾波器211、整流橋212和濾波電容213組成的輸入電路，變壓器 215、控制器214、功率開關管216、電流感應電阻217，以及由輸出二極體220、輸出電容221、 輸出電壓感應電阻222、齊納二極體223和光耦224組成的輸出電路。其中所述控制器214 進一步包括PWM控制器233和頻率抖動控制裝置232。首先由EMI濾波器211對電網電壓210進行濾波，然後由整流橋212對其進行整 流以生成整流電網電壓。電容213用於平滑該整流後的正弦電網電壓以生成紋波更小的DC 電網電壓218。DC電網電壓218可提供給變壓器215的原邊線圈。功率開關管216和變壓 器215、輸出二極體220和輸出電容221形成反激變換器。當功率開關管216開啟時，能量 將存儲在變壓器215的原邊線圈中；當功率開關管216關閉時，存儲在變壓器215的原邊線 圈中的能量將轉移到輸出電容221和負載225中。功率開關管216的開關周期比確定了 DC 輸出電壓。由功率開關管216、變壓器215、輸出二極體220、輸出電壓感應電阻222、齊納二極 管223、光耦224和控制器214構成的DC輸出反饋控制迴路240可將DC輸出電壓維持恆 定。通過使用由齊納二極體223和光耦224串聯形成的反饋迴路將反饋信息反饋到功率開 關管216，進而確定開關周期比。光耦224將反饋電流提供給控制器214的FB引腳，電阻 231隨即將該反饋電流轉換成反饋電壓VFB。反饋電壓Vfb耦合到功能模塊PWM控制器233 以改變功率開關管的開關周期比，進而調節輸出電壓。反饋電壓Vfb同時耦合到頻率抖動控 制裝置232以調節頻率擺幅。由於Vfb是由與通過電阻225的負載電流成正比的反饋電流 轉換而來的，因此頻率擺幅百分比隨負載電流的增加而增加。這樣，通過頻率抖動控制裝置 232，可在DC輸出反饋控制迴路240中引入具有負載適應的頻率擺幅的抖動頻率。雖然在本發明的優選實施例中是通過從反饋電流轉換而來的電壓來控制負載適 應的頻率擺幅的。但是實際上，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，從平均電源電流或 功率開關管216的開關佔空比獲得的電流或電壓都可用於負載適應的頻率擺幅調節。參照圖3中示出的流程圖，圖4中給出了模塊化來進行頻率抖動控制方法的信號 流程圖。本領域技術人員知悉，在本發明的教導下，也可採用其他的功能模塊完成本發明的 各個步驟，而不限於本實施例中公開的模塊。在圖3示出的實施例中，頻率抖動生成過程可分為5個步驟，在此，假設電流或電 壓控制的延時生成器310生成恆定的延時信號TD。步驟1 可變狀態機311隨機地或是以預定的模式在各個時鐘周期生成狀態數η。步驟2 數字控制脈衝生成器312根據可變狀態機311輸出的狀態數η生成一組 具有不同高低密度的脈衝，該密度函數Pdmsity由等式(1)表示TH(n)PdenSity(n)=-等式(1)
TH(n) + TL(n)其中，TH(n)和TL(n)分別表示高、低脈衝寬度。在本發明的一個實施例中， TH(n)+TL(n)為定值。步驟3 通過將延時生成器310生成恆定的延時信號Td添加到所述脈衝密度函數
來設置耦合到PWM控制電流源314的所述PWM控制信號Dpwm的有效佔空比，並且所述PWM控
制信號D-可由等式⑵表示
TH(n) + TdDPWM(n) =-等式(2)
TH(n) + TL(n) + TD步驟4 通過PWM控制信號Dpwm的開啟周期來控制由PWM控制電流源314生成的輸 出電流I。(Dpwm)的電流強度，，該電流強度可由等式(3)表示IC(DPJ = IsXDpwm等式(3)其中，13是預設恆流源。步驟5 電流控制振蕩器315根據電流I。生成具有可變頻率F^的時鐘信號。該 時鐘信號可反饋到可變狀態機311以更新輸出的狀態數n。由於對於每個時鐘循環，狀態數 都是不同的，因此在每個時鐘循環輸出的時鐘頻率都是不同的，這樣可以產生抖動時鐘信號。頻率抖動的引入可通過將開關功率噪聲在較寬的頻帶內進行擴展來最小化電源
生成的EMI峰值，從而降低開關電源的EMI效應。功率噪聲的擴展效應取決於開關頻率的
擺幅百分比。例如，較高的開關頻率擺幅百分比將使得生成的EMI峰值較低。因此，可通過
控制電壓Vc來改變延時生成器310生成的延時時間Td來控制開關頻率的擺幅百分比。擺
幅百分比A0SC可由等式⑷表示
TH(n) + TL(n)AOSC(Vc) =- x 100%等式(4)
TH(n) + TL(n) + TD(Vc)優選的TD範圍為1 2iiS，TH(n)+TL(n)範圍為0. 05 0. liiS。例如，如果TD =1.5iiS且TH(n)+TL(n) =0. lyS，那麼A0SC為6.6%。雖然公開的優選的具有負載適 應的頻率擺幅的頻率抖動方案使用的是電壓控制延時設置，本發明並不限於此。根據等式 (4)的可改變開關頻率的擺幅百分比的任何其他設置也可應用於本發明。本發明還公開了實施負載適應的頻率擺幅的頻率抖動方案的優選實施例。圖4是 根據圖3的信號流程圖實施的用於改變開關頻率並具有可控頻率擺幅的頻率抖動裝置的 原理框圖。該頻率抖動裝置包括電壓控制延時器410、可變狀態機411、數字控制脈衝密度 生成器412、PWM控制電流源414和電流控制振蕩器415。可變狀態機411可以是隨機數生成器或任何可生成可變邏輯數的狀態機。該可變 邏輯數可供數字控制脈衝密度生成器412用來根據等式(1)改變脈衝序列的高低密度。數 字控制脈衝密度生成器412包括由多個串聯的逆變器構成的環形振蕩器；用於生成不同高 低密度脈衝序列的組合邏輯電路；由解碼器控制的開關網絡實現的多路選擇器。根據等式(2)，該PWM控制信號Dpwm可通過在環形振蕩器416中插入電壓控制延時器410來實現，這 樣可將可控延時Td添加到數字控制脈衝密度生成器412定義的循環周期TH(n)+TL(n)中。 圖5中示出了典型的PWM控制信號Dpwm的波形。該PWM控制信號可耦合到PWM控制電流源 414。如圖4所示，該PWM控制電流源414可簡單地通過串聯的開關和電流源來實現。平均 輸出電流I。可根據等式⑶由PWM控制信號的有效佔空比來確定。如圖5所示，該開啟佔 空比越高，電流I。越大。電流I。的電流強度限定了電流控制振蕩器415的輸出頻率。在本 發明的該實施例中，使用的是弛張振蕩器。其可由具有遲滯作用的比較器、電容，用於使電 容迅速放電的PMOS開關管和用於 逐步為電容充電的PWM控制電流源構成。圖5中示出了 該弛張振蕩器的典型的輸出波形0SC。 雖然本發明是通過具體實施例進行說明的，本領域技術人員應當明白，在不脫離 本發明範圍的情況下，還可以對本發明進行各種變換及等同替代。因此，本發明不局限於所 公開的具體實施例，而應當包括落入本發明權利要求範圍內的全部實施方式。
權利要求
一種頻率抖動裝置，其特徵在於，包括可變狀態機，用於生成可變邏輯數；延時生成器，用於生成延時信號；數字控制脈衝密度生成器，用於根據可變邏輯數和延時信號生成PWM控制信號；PWM控制電流源，用於根據PWM控制信號生成輸出信號；電流控制振蕩器，用於根據PWM控制電流源的輸出信號生成時鐘信號；其中，所述時鐘信號可反饋到可變狀態機以更新可變邏輯數，並由此生成隨時鐘周期改變的抖動時鐘信號。
2.根據權利要求1所述的頻率抖動裝置，其特徵在於，所述數字控制脈衝密度生成器 用於根據所述可變邏輯數生成一組具有不同高低密度的脈衝。
3.根據權利要求2所述的頻率抖動裝置，其特徵在於，所述數字控制脈衝密度生成器 進一步包括由多個串聯的逆變器構成的環形振蕩器； 用於生成不同高低密度脈衝序列的組合邏輯電路； 由解碼器控制的開關網絡實現的多路選擇器；其中，生成的PWM控制信號可由環形振蕩器、延時信號以及從解碼器接收的可變邏輯 數通過邏輯組合來獲得。
4.根據權利要求3所述的頻率抖動裝置，其特徵在於，所述脈衝密度函數Pdmsity由下 列等式表示TH(n)Pdensity(n)=TH(n) + TL(n)其中，TH(n)和TL(n)分別表示高、低脈衝寬度。
5.根據權利要求4所述的頻率抖動裝置，其特徵在於，通過將延時生成器生成的延時 信號添加到所述脈衝密度函數來生成所述PWM控制信號Dpwm，並且所述PWM控制信號Dpwm由 下列等式表示TH(n) + TDDpwM(n)=TH(n) + TL(n) + TD其中，Td表示延時信號。
6.根據權利要求5所述的頻率抖動裝置，其特徵在於，所述PWM控制電流源生成的輸出 信號強度可由下列等式表示I c (Dpwm)—工 s X DP麗其中，13是預設恆流源。
7.根據權利要求6所述的頻率抖動裝置，其特徵在於，所述抖動時鐘信號的頻率的擺 幅百分比由下列等式表示TH(n) + TL(n)AOSC(Vc) =- x 100%TH(n) + TL(n) + TD(Vc)
8.—種頻率抖動方法，其特徵在於，所述方法包括51、生成可變邏輯數；52、生成延時信號；53、根據所述可變邏輯數和延時信號生成PWM控制信號；54、根據所述PWM控制信號生成輸出信號；55、根據所述輸出信號生成時鐘信號；最後，通過時鐘信號的反饋來更新可變邏輯數，並由此生成隨時鐘周期改變的抖動時 鍾信號。
9.一種開關電源，所述開關電源包括輸入電路和輸出電路，其特徵在於，所述開關電源 還包括反饋控制迴路；所述反饋控制迴路又包括變壓器、控制器、功率開關管；所述功率開 關管的漏極連接到所述變壓器的原邊線圈、源極和柵極連接到控制器，輸出電路連接到變 壓器的副邊線圈；其中，所述控制器根據自身生成的具有輸出適應頻率擺幅的抖動頻率和反饋控制迴路 提供的反饋信號來改變開關管的開關周期以調節輸出電壓。
10.根據權利要求9所述的開關電源，其特徵在於，所述控制器進一步包括頻率抖動裝 置和PWM控制器，其中頻率抖動裝置根據反饋控制迴路提供的反饋信號生成具有輸出適應 頻率擺幅的抖動頻率；PWM控制器根據頻率抖動裝置生成具有輸出適應頻率擺幅的抖動頻 率和反饋控制迴路提供的反饋信號來改變開關的管開關周期來調節輸出電壓。
全文摘要
本發明涉及一種開關電源及其使用的頻率抖動生成裝置和方法。所述開關電源包括輸入電路、輸出電路和反饋控制迴路。其中的反饋控制迴路又包括變壓器、控制器和功率開關管，該功率開關管的漏極連接到變壓器的原邊線圈、源極和柵極連接到控制器；其中的輸出電路連接到所述變壓器的副邊線圈。其中所述控制器是根據自身生成的具有輸出適應頻率擺幅的抖動頻率和反饋控制迴路提供的反饋信號來改變開關管的開關周期以調節輸出電壓。實施本發明的開關電源、頻率抖動方案和裝置，能夠使用便宜、簡單的EMI濾波器來進行EMI濾波，還能夠在輕負載條件下將開關電源的輸出噪聲保持在較低水平。而且，本發明還可通過感應負載電流，進而對頻率抖動的擺幅進行調節。
文檔編號H02M1/44GK101877531SQ20091010718
公開日2010年11月3日 申請日期2009年4月30日 優先權日2009年4月30日
發明者方磊, 谷文浩 申請人:輝芒微電子(深圳)有限公司