抑制電磁幹擾發射的方法
2023-06-08 04:30:41
抑制電磁幹擾發射的方法
【專利摘要】提出了一種抑制電磁幹擾發射的方法，其通過將低頻調製或抖動應用至開關電路的開關信號的反饋中，使能夠經由將較高次諧波發射轉化至低於150KHz的標準EMI帶寬之下的頻率範圍來抑制由開關電路的高頻開關產生的EMI。當開關電路的開關或較高次諧波產生元件接入主電源或從主電源汲取功率時，以僅應用低頻調製的形式，通過使用不連續的調製用在開關電路的輸出信號上最小的疊加的紋波來實現EMI抑制。
【專利說明】抑制電磁幹擾發射的方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本專利申請要求於2012年6月11日提交，題名為「電磁幹擾發射抑制器」的序列號為61/658，245的共同待決的美國臨時申請在35U.S.C.119(e)下的優先權。本申請通過引用整體併入序列號為61/658，245的美國臨時申請。
【技術領域】
[0003]本發明設計電源領域。具體地，本發明涉及帶有調製控制的功率轉換器系統。
【背景技術】
[0004]每個連接於電力電源的電氣設備都被要求不能汙染或傳輸高頻噪聲給電源。電氣設備允許的電氣發射量由聯邦通訊委員會(FCC)嚴格管制。由於較高運行頻率允許電源組件尺寸減小並且允許成本的降低，常規的電源設計已遷移至使用較高運行頻率。運行於較高頻率的缺點在於增加了產生的較高次諧波或電磁幹擾(EMI)。
[0005]降低EMI的常規方法致力於將開關電路的開關頻率降低到FCC制定的150KHZ的標準EMI帶寬的限制之下。這種方案的缺點在於增加了電源中磁性組件的尺寸。其他降低EMI的方法僅僅只是增加額外的濾波器組件以降低不需要的頻率諧波。該第二種方案的缺點在於增加了電源的重量、尺寸和成本。降低諧波或EMI的大尖峰的另一方案是使用緩衝電路。緩衝電路雖然有效降低EMI，卻犧牲了功率轉換器的效率。在又一方案中，通過使用採取離散諧波譜並將EMI散布在連續頻率範圍內的抖動(jitter)來降低EMI。常規系統通過將噪聲注入轉換器的柵極驅動或控制器來使用抖動。將噪聲注入轉換器的柵極驅動具有使輸出電壓信號失真的缺點。另外，將噪聲直接注入柵極驅動僅僅將抖動應用至轉換器開關信號的上升和下降沿。另外，由於抖動貫穿開關信號的周期是連續的、在放大器帶寬外部、並且在開關電路的調節迴路外部被注入，因此該抖動在開關電路的輸出端導致不需要的高次紋波。相應的，通過連續將抖動直接注入至柵極驅動電路，常規功率轉換器抑制了反饋迴路的效率以及包括零電壓開關和開關信號的採樣的其他特徵。
【發明內容】
[0006]一種EMI發射抑制系統，裝置和方法，包括頻率調製元件，當開關元件從主電源汲取功率時，頻率調製元件調製開關元件的頻率以便降低主電源上的EMI發射。當開關元件不從主電源汲取功率時頻率調製元件停止調製以便降低負載上的紋波。因此，EMI發射抑制系統能夠最小化主電源上的EMI發射，同時不在負載上輸出超額的紋波。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]參考附圖將描述若干實施例，其中相似的組件具有相似的附圖標記。示例實施例旨在說明，而不是限制發明。附圖包括以下圖:
[0008]圖1圖示根據某些實施例的EMI抑制系統的功能框圖。[0009]圖2圖示根據某些實施例的EMI抑制系統的電路圖。
[0010]圖3圖示根據某些實施例的抑制EMI發射的方法的流程圖。
[0011]圖4圖示根據可替換的實施例的抑制EMI發射的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0012]本申請的實施例針對EMI發射抑制系統、設備和方法。本領域的普通技術人員將會意識到EMI發射抑制系統、設備和方法的下列詳細描述僅是示意性的，而不為了以任何方式限制。EMI發射抑制系統、設備和方法的其他實施例將使得益於本公開的本領域技術人員很容易想起它們。
[0013]現將詳細參考在附圖中圖示的EMI發射抑制系統、設備和方法的實施方式。貫穿附圖和下列詳細描述中，將使用相同的附圖標記指代相同或相似的部件。為了清楚，並非所描述的實施方式的所有普通特徵均被示出和描述。當然，將理解的是，在任何這種實際的實施方式的研發過程中，必須就特定的實施方式做出多種決定，以達成開發者的特定目標，諸如符合應用以及與商務有關的限制，並且這些具體的目標將從一個實施方式到另一個實施方式、並且從一個開發者到另一個開發者而變化。另外，將理解的是，這些開發工作可能是複雜的並且耗費時間的，但對於得益於本公開的本領域的普通技術人員這將仍然是工程的普通任務。
[0014]在此描述EMI發射抑制系統、設備和方法的實施例。EMI發射系統、設備和方法能夠通過將較高次諧波發射傳輸至低於150KHz的標準EMI帶寬之下的頻率範圍來抑制由開關電路的高頻開關產生的EMI。較高次諧波發射的傳輸是通過將低頻調製或抖動應用至開關電路的開關信號的反饋上來實現的。另外，能夠通過不連續調製用輸出信號上最小的增加的紋波來實現EMI抑制，不連續調製的形式為當開關或開關電路的較高次諧波產生元件在接入主電源或從主電源汲取功率時僅應用低頻調製。因此，當與主電源耦合時，應用低頻調製以便影響開關電路的開關脈衝的上升和下降沿，從而充分地降低主電源上來自開關電路的EMI噪聲。相反地，當沒有接入主電源或從主電源汲取功率時，暫停低頻調製以便充分地降低開關電路輸出上的紋波。
[0015]圖1圖示了根據某些實施例的EMI抑制系統100的功能框圖。如圖1中所示，系統100包括電源102、開關元件104、輸出電路106、反饋元件108和頻率調製元件110。電源102與開關元件104耦合，開關元件104與輸出電路106電氣耦合。反饋元件108在負載106和頻率調製元件110之間電氣耦合，頻率調製元件110與開關元件104電氣耦合。可替換地，反饋元件108能夠在輸出電路106和開關元件104之間直接耦合，和/或頻率調製元件110能夠與開關元件104、或反饋元件108或與兩者電氣f禹合。
[0016]電源102可以包括諸如主線路或插頭插座的AC電源。可替換地，電源102可以包括DC電源。開關元件104可以包括諸如反激轉換器的功率轉換電路。可替換地，開關元件104可包括其他類型電路，該其他類型的電路包括開關元件或以別的方式產生EMI發射的電路。例如，開關兀件104可以包括正向轉換器、推挽轉換器、半橋轉換器、全橋轉換器和/或其他本領域眾所周知的開關模式電源的配置。頻率調製元件110可以包括信號或時鐘發生器。可替換地，頻率調製元件110可以包括其他本領域眾所周知的能夠在信號中引入低頻抖動的信號發生或調製元件。在某些實施例中，頻率調製元件Iio能夠與開關元件104、輸出電路106和/或反饋元件108集成以形成單獨的集成電路。可替換地，頻率調製元件110可以包括能夠與諸如開關元件、輸出電路和/或反饋電路的一個或多個分開的電路耦合的獨立的集成電路。因此，頻率調製元件110能夠提供的優勢為頻率調製元件110與現有的集成電路耦合以改善它們的EMI抑制特性。
[0017]在運行中，開關元件104周期性地與電源102耦合，或從電源102吸取功率，並且對耦合到輸出電路106的負載供應所期望的輸出電壓/信號。反饋元件108檢測輸出電壓Vout,或輸出電壓Vout的代表值，並且調整開關元件104的輸出以便將輸出電壓Vout保持在期望的範圍內，從而調節輸出電壓Vout。在某些實施例中，反饋元件108調整開關元件104的佔空比以便控制輸出電壓Vout。頻率調製元件110檢測何時開關元件104從電源102吸取功率或與電源102耦合，並且將低頻調製或抖動應用到從反饋元件108接收到的信號上，從而將由開關元件104導致的並暴露給電源102的EMI最小化。頻率調製元件110還檢測何時開關元件104沒有從電源102吸取功率或沒有直接耦合到電源102，並中止或停止將低頻調製或抖動應用在開關元件信號上以最小化應用於負載的輸出電壓/信號上的紋波。在某些實施例中，頻率調製兀件110在開關兀件104的反饋迴路中完成檢測和調製。因此，僅當開關元件104耦合到電源102時應用抖動，並且系統100可以最小化從開關元件104傳輸至電源102的EMI量，同時還可以最小化從頻率調製元件110的抖動感應至輸出電壓/信號上的紋波量。
[0018]圖2圖示了根據某些實施例的EMI抑制系統200的示意圖。該示意圖與圖1中的功能框圖基本相似，除了於此描述的附加細節。然而，可以理解的是可替換的電路可以用於實施圖1的功能框圖。如圖2所示，EMI抑制系統200包括電源202、開關元件204、輸出電路206、反饋元件208和頻率調製元件210。系統200被配置為接收AC電壓信號並提供適於諸如筆記本電腦、手機和其他設備眾多的低電壓應用的調節的DC輸出電壓Vout。在某些實施例中，輸出電壓Vout可以在5-40V的範圍內。可替換地，輸出電壓Vout可以小於5V或大於40V。在某些實施例中，系統200包括在單獨的集成電路中。可替換地，抑制系統200的一個或多個組件可以為分開的集成電路從而系統200可由多個集成電路電氣耦合在一起而形成。
[0019]電源202包括與整流器212電氣耦合的AC電源功率信號，以產生與開關元件204和反饋元件208兩者電氣耦合的未調節的DC輸入電壓Vin。輸出電路206包括二極體Dl和電容器Cl。可替換地，輸出電路206可以包括其包含半波或全波整流器的輸出整流器電路。反饋元件208提供代表輸出電壓Vout的反饋電壓Vfb。頻率調製元件210包括信號發生器或時鐘發生器222和一個或多個緩衝器216。開關元件204包括變壓器Tl、電晶體218、一個或多個電阻器Rl、R2、R3、控制器設備214、求和設備220以及一個或多個緩衝器216。可替換地，開關元件204的一個或多個求和設備220、控制器設備214和/或緩衝器216能夠是頻率調製元件210的一部分，而不是開關元件204的一部分。實際上，可以理解的是，電源202、開關元件204、輸出電路206、反饋元件208和/或頻率調製元件210中的一個或多個組件可以定位於或重疊在202-210其他元件中一個或多個之上。
[0020]變壓器Tl的第一端電氣耦合在從電源202接收的輸入電壓Vin和電晶體218的漏極端之間。變壓器Tl的第二端跨二極體Dl和輸出電路206的電容器Cl電氣耦合。電晶體218的源極端電氣耦合於反饋元件208和電阻器R3，電阻器R3電氣耦合於地。控制器設備214的Q輸出線通過一個或多個緩衝器216電氣耦合於電晶體218的柵極端和頻率調製元件210的信號發生器222的輸入。控制器設備214的S輸入線通過另一緩衝器216電氣稱合於求和設備220的輸出。求和設備220的輸入電氣稱合於反饋兀件208、信號發生器222的輸出以及位於電阻器Rl和R2之間的參考電壓節點Vref，電阻器Rl和R2在輸入電壓Vin和地之間電氣串聯。求和設備220可以是比較器、誤差放大器或其他在參考電壓Vref和反饋電壓Vfb之間調製差別或誤差從而輸出調製的誤差信號的裝置。在某些實施例中，變壓器Tl為反激變壓器。可替換地，變壓器Tl可以是本領域眾所周知的其他類型的變壓器或負載隔離電路。在某些實施例中，信號發生器222以預定頻率生成時鐘信號，諸如在2.0至9.0KHz的範圍內。可替換地，預定的頻率可以小於2.0KHz，大於9.0KHz，或其他本領域眾所周知的預定頻率。在某些實施例中，電晶體218為諸如N型金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的場效應電晶體。可替換地，電晶體218可以為本領域眾所周知的其他類型的電晶體或開關電路。例如，開關元件204可以包括可變頻率轉換器，從而能夠根據系統200的輸出功率需求調整開關元件204的運行帶寬。在某些實施例中，控制器設備214為SR-NOR鎖存觸發器。可替換地，控制器214可為本領域眾所周知的能夠調節電晶體218的運行佔空比的其他類型觸發器、脈寬調製電路或信號邏輯電路。
[0021]在運行中，開關元件204的控制器設備214的輸出Q將開關控制信號或驅動信號輸出至電晶體218的柵極端，從而導致電晶體218重複地導通和關斷。當開關控制信號為高時，激活電晶體218的通道，導致來自電源202的電流將通過變壓器T的初級繞組和電晶體218被汲取，通過反饋迴路208並且通過電阻器R3接地。當控制信號為低時，停用電晶體218的通道，防止電流流動通過電晶體218和初級繞組P1，並且跨初級繞組Pl的電壓上升,並且功率被傳輸至輸出電路206。求和設備220接收來自反饋元件208的反饋信號，並將反饋信號的反饋電壓Vfb與參考電壓Vref相比較以便產生被輸入至控制器214的輸入S的誤差信號，並且調節開關控制信號的佔空比從而維持期望的輸出電壓Vout。因此，開關元件204調節輸出電壓Vout。
[0022]當開關控制信號為高從而開關元件204接入電源202時，信號發生器222輸出低頻調製或抖動信號至求和設備220，從而誤差信號被調製，並且調製的誤差信號被輸入至控制器設備214，從而根據低頻調製/抖動信號調製相對應的開關控制信號。因此，由於開關控制信號的調製基本獲取了在開關頻率上的EMI尖峰，並且在頻譜上減低和分散EMI尖峰，由開關元件204在電源202上導致的EMI充分地降低。當開關控制信號為低從而開關元件204不再接入電源並且儲存在變壓器Tl中的功率被傳遞至輸出電路206時，誤差信號不再用低頻調製信號進行調製。在某些實施例中，信號發生器222僅當開關元件204接入電源202時生成低頻調製信號。在其他的實施例中，信號發生器222持續生成低頻調製信號，但是僅當開關元件204接入電源202時，低頻調製信號才被求和設備220用於調製誤差信號。由於選擇性地調製誤差信號，從而選擇性地調製開關控制信號，由調製的開關控制信號導致的負載上的紋波也被最小化。相應的，EMI發射抑制系統200提供的優勢為保持在電源202上的汙染的EMI的最大降少量同時也最小化在輸出電路206上的紋波。
[0023]圖3圖示了根據某些實施例的抑制EMI發射的方法的流程圖。相對於圖2的系統元件描述該步驟方法。可以理解的是該抑制EMI發射的方法可以使用可替換的系統元件和配置來實現。在步驟302處，開關元件204根據控制信號選擇性地接入電源202或從電源202汲取功率。在某些實施例中，接入電源202包括從電源202汲取電流。例如，接入電源包括激活與電源202電氣耦合的電晶體218，從而通過初級繞組Pl和電晶體218汲取電流。在某些實施例中，用於激活電晶體218的控制信號是由控制器設備214輸出的脈寬調製信號。在某些實施例中，通過由求和設備220生成的誤差信號來調節該控制信號，該求和設備220將參考電壓Vref與反饋電壓Vfb進行比較。在步驟304處，當開關元件204接入電源202時，頻率調製元件210生成低頻調製信號或抖動。在某些實施例中，在範圍2.0至
9.0KHz範圍之內的預定頻率處生成所述低頻調製信號。可替換地，所述預定頻率可以小於
2.0KHz，大於9.0KHz，或為其他本領域眾所周知的預定頻率。在步驟306處，根據該低頻調製信號生成開關元件204的調製的控制信號。開關元件204根據所調製的控制信號選擇性地接入電源202，從而最小化開關元件204在電源202上輸出的EMI的量。在步驟308處，當開關元件204沒有接入電源202時，頻率調製元件210停止生成低頻調製信號，由此所述控制信號沒有根據所述低頻調製信號進行調製，從而最小化輸出到輸出電路206上的紋波量，其中紋波由所調製的控制信號的調製或抖動導致。因此，該方法提供的優勢為能夠最小化在電源上的EMI發射同時也最小化負載上的紋波量。
[0024]在可替換的實施例中，頻率調製元件210持續生成低頻調製信號，但是僅當所述開關元件204接入電源202時，根據低頻調製信號對控制信號進行調製。圖4圖示了根據該可替換的實施例的抑制EMI發射的方法的流程圖。在步驟402處，開關元件204根據控制信號選擇性地接入電源202或從電源202汲取功率。在步驟404處，所述頻率調製元件210生成低頻調製信號或抖動。在步驟406處，當開關元件接入電源202時，應用所述低頻調製信號，從而根據所述低頻調製信號生成調製的控制信號。在步驟408處，當開關元件204沒有接入電源202時，停止所述低頻調製信號的應用，從而不根據所述低頻調製信號調製所述控制信號。
[0025]本文所描述的EMI發射抑制方法、設備和系統具有眾多優勢。具體的，系統通過開關元件，通過使用反饋迴路中的低頻調製來調製開關元件的頻率從而最小化電源上的EMI發射輸出。另外，系統通過使用僅當開關元件接入電源時才調製控制信號的不連續調製來最小化由低頻調製導致的負載上的紋波輸出。因此，本文所描述的EMI發射抑制器具有眾多優勢。
[0026]以上在調製用於調節輸出電壓的控制信號的方面描述了 EMI發射抑制系統、設備和方法。可以理解的是EMI發射抑制系統、設備和方法可以替換地被應用於非調節的應用。這類可替換的應用可以包括或可以不包括反饋元件。調製信號可被應用至由開關元件使用的參考信號或其他信號以生成調製的控制信號。
[0027]本申請已按照結合細節的具體實施例進行了描述以助於理解EMI發射抑制系統、設備和方法的構造和運行的原理。在多個附圖中示出和描述的許多組件可以互換以實現需要的結果，並且應當理解本說明書也包含這些互換。同樣地，本文對具體實施例和其細節的參考旨在用以限制於此所附的權利要求書的範圍。對於本領域技術人員來說，可在不背離本申請的精神和範圍情況下對所選擇的實施例做出改動。
【權利要求】
1.一種調節具有開關電路的功率轉換器的方法，所述方法包括: a.根據用於驅動所述開關電路的控制信號選擇性地從電源汲取功率； b.當所述開關電路從所述電源汲取功率時生成低頻調製信號； c.應用所述低頻調製信號以便生成根據所述低頻調製信號進行調製的調製的控制信號。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述調製的控制信號充分地降低對應於所述開關元件的開關的較高次諧波發射。
3.根據權利要求1所述的方法，其中以預定頻率生成所述低頻調製信號。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述預定頻率包括在2至9KHz範圍中的頻率。
5.根據權利要求1所述的方法，應用所述低頻調製信號包括: a.生成根據所述低頻調製信號進行調製的調製的誤差信號；以及 b.將所述調製的誤差信號供應至所述開關電路的控制器電路，其中所述控制器電路生成所述調製的控制信號。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述控制信號包括用於控制所述開關電路的佔空比的脈寬調製信號。
7.根據權利要求1所述的方法，進一步包括調節所述功率轉換器的輸出電壓。
8.根據權利要求7所述的方法，進一步包括供應反饋信號至所述開關電路，其中所述反饋信號代表所述輸出電壓。
9.根據權利要求1所述的方法，進一步包括當所述開關電路沒有從所述電源汲取功率時停止所述低頻調製信號的生成。
10.根據權利要求1所述的方法，其中用所述調製的控制信號驅動所述開關電路充分地降低在所述開關電路的開關頻率中的諧波分布。
11.一種調節具有開關電路的功率轉換器的方法，所述方法包括: a.根據用於驅動所述開關電路的控制信號選擇性地從電源汲取功率； b.生成低頻調製信號；以及 c.當所述開關電路從所述電源汲取功率時應用所述低頻調製信號，以便生成根據所述低頻調製信號進行調製的調製的控制信號。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述調製的控制信號充分地降低對應於所述開關元件的開關的較高次諧波發射。
13.根據權利要求11所述的方法，其中以預定頻率處生成所述低頻調製信號。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述預定頻率包括在2至9KHz範圍中的頻率。
15.根據權利要求11所述的方法，應用所述低頻調製信號包括: a.生成根據所述低頻調製信號進行調製的調製的誤差信號；以及 b.將所述調製的誤差信號供應至所述開關電路的控制器電路，其中所述控制器電路生成所述調製的控制信號。
16.根據權利要求11所述的方法，其中所述控制信號包括用於控制所述開關電路的佔空比的脈寬調製信號。
17.根據權利要求11所述的方法，進一步包括調節所述功率轉換器的輸出電壓。
18.根據權利要求17所述的方法，進一步包括供應反饋信號至所述開關電路，其中所述反饋信號代表所述輸出電壓。
19.根據權利要求11所述的方法，進一步包括當所述開關電路沒有從所述電源汲取功率時停止所述低頻調製信號的應用。
20.根據權利要求11所述的方法，其中用所述調製的控制信號驅動所述開關電路充分地降低在所述開關電路的開關頻率中的諧波分布。
21.一種調節具有開關電路的功率轉換器的方法，所述方法包括: a.將低頻調製信號注入被配置為輸出誤差信號的求和電路； b.當所述開關電路從電源汲取功率時使用所述低頻調製信號調製所述求和電路的所述誤差信號；以及 c.使用所述調製的誤差信號以充分地降低在所述開關電路的開關頻率中的諧波分布。
22.根據權利要求21所述的方法，進一步包括使用信號發生器以預定頻率生成所述低頻調製信號。
23.根據權利要求22所述的方法，其中所述預定頻率包括在2至9KHz範圍中的頻率。
24.根據權利要求21所述的方法，進一步包括: a.將所述調製的誤差信號應用至用於所述開關電路的控制器電路； b.生成用於控制所述開關電路的佔空比的脈寬調製信號。
25.根據權利要求21所述的方法，進一步包括調節所述功率轉換器的輸出電壓。
26.根據權利要求25所述的方法，進一步包括將反饋信號供應至所述求和電路，其中所述反饋信號代表所述輸出電壓。
27.根據權利要求21所述的方法，進一步包括當所述開關電路沒有從所述電源汲取功率時，停止使用所述低頻調製信號對所述誤差信號進行調製。
【文檔編號】H02M1/44GK103490609SQ201310241393
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月13日 優先權日:2012年6月11日
【發明者】M·特勒福斯 申請人:電力系統技術有限公司