一種電源轉換器的噪音控制電路和方法

2023-05-22 06:41:26

專利名稱：一種電源轉換器的噪音控制電路和方法
技術領域：
本發明涉及開關電源技術領域，特別涉及一種電源轉換器的噪音控制電路。
背景技術：
開關電源具有體積小，效率高以及電流大的優點，因此被廣泛應用於手機充電器和筆記本電腦適配器等場合。近年來，由於綠色電源概念的興起，更加強調了使用更加優良的開關電源。在開關電源中，當開關頻率在人的聽覺範圍內(20kHz)會產生噪音。在諸多情況下，噪音都是不能夠被接收或允許的。脈衝頻率調製PFMbulsefrequency modulation)轉換器中，噪音會在輕載條件下產生。在某些專利技術中，可能通過系統層面的最佳利用來減少噪音，如通過降低變壓器最大流通密度。或者，通過晶片技術層面也能減少噪音。但是傳統通過晶片層面的解決方案通常是不令人滿意。例如美國專利號為7，202，609的技術方案是描述一種反激式變換器，通過使用計時器去測量電晶體開啟與關閉的周期，來監控控制轉換器的電晶體的頻率，使得開關的頻率控制在20kHz以下。當頻率到達聽覺範圍內，通過立刻關閉電晶體來增加頻率，即，在電流感應電阻上的電壓上增加一個額外的電壓。這個額外電壓是通過一內部電流源提供。傳統技術存在這樣或那樣的問題，如不能夠適用於不同負載、通常會增加系統的成本等。因此提供一種更好的技術，以抑制開關電源中的噪音顯得尤為重要。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種電源轉換器的噪音控制技術，能夠用來抑制電源轉換器中的可聽噪音，同時不增加系統的成本，也不對系統產生不良影響，不受負載情況所限制。本發明提供一種電源轉換器的噪音控制電路，是通過控制功率開關去調節所述電源轉換器的輸出，其特徵在於，當表徵電源轉換器輸出大小的第一信號低於第一輸出值時， 所述噪音控制電路增加功率開關的開關頻率。在具體實施例中，所述第一輸出值是產生人可聽噪音時電源轉換器的輸出。在一實施例中，所述電源轉換器的噪音控制電路還包括產生第一信號的第一電路，所述第一電路包括耦合輸出並接收反饋信號的第一端子；比較反饋信號與反饋參考信號的第一比較電路；連接於第一比較電路輸出並產生一模擬信號的組合電路；連接於組合電路並產生第一信號的第二比較電路，所述第二比較電路具有接收所述模擬信號的第一端；以及從一除法電路中接收反饋信號的第二端，該除法電路包括與一電晶體串聯的第一和第二電阻，該電晶體被一決定功率開關的開關頻率需要增加的狀態信號所決定。
所述控制電路被定義為當第一信號低於第一輸出值且高於第二輸出值時，增加功率開關的開關頻率。本發明人還提供一種脈衝頻率調製PFM控制電路，是用具有可變頻率的脈衝控制信號調節電源轉換器的輸出，當表徵電源轉換器輸出大小的第一信號高於第一輸出值時， 控制電路被定義為維持控制脈衝信號在第一脈衝寬度；當表徵電源轉換器輸出大小的第一信號低於第一輸出值時，控制電路被定義為維持控制脈衝信號在第二脈衝寬度。在具體實施例中，所述第二脈衝寬度比第一脈衝寬度窄。通過比較表徵功率開關的電流與參考電流來維持脈衝寬度。本發明還提供一種電源轉換器的噪音控制方，包括改變功率開關的開關頻率去調節電源轉換器的輸出；決定一表徵電源轉換器輸出大小的第一信號；當第一信號低於第一輸出值時，增加功率開關的開關頻率。具體實施例中，當第一信號低於第一輸出值時，電源轉換器中可產生可聽噪音。另一實施例中，該方法還包括決定表徵功率開關中的電流的第二信號；如果第一信號高於第一輸出值，當第二信號高於一第一數值時，關閉功率開關；如果第一信號低於第一輸出值，當第二信號高於一第二數值時，關閉功率開關。本發明提供的電源轉換器的噪音控制電路，通過控制功率開關去調節所述電源轉換器的輸出，不增加系統的成本，也不對系統產生不良影響，不受負載情況所限制。


圖1是本發明的開關電源簡單的原理框圖；圖2是圖1的開關電源中控制器的負載監測模塊的具體實施圖；圖3是圖1的開關電源中電源控制器的一部分控制電路；圖4是不同信號作為圖1的開關電源中的負載電流的實施。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。為了舉例說明以下實施例是本發明應用於AC/DC或DC/DC 轉換器中，但是，本發明不應以此為限，例如本發明可以應用於其他產生噪音的轉化器中； 或者應用於有某些特別要求的輸出負載條件。同樣的，以下圖示也是為了更加清楚的說明實施方式，並不能以此限定本發明的技術應用。請參閱圖1，是本發明簡單的原理框圖。其中，開關電源100包括電源控制器130、 轉換器101，所述轉換器101包括連接輸入電壓IlO(Vin)的原邊繞組103。在一特別實施例中，輸入電壓110可以是由一 AC電源通過一校正電路(圖中未示)提供的DC電壓，也可以是一 DC電壓源提供。開關電源100還包括一提供開關電源輸出的副邊繞組104，且能夠提供負載上電流或電壓的恆定輸出。這裡的負載電阻107能夠表徵不同的負載裝置，例如， 一可攜式電子裝置的充電電路、一 LED照明裝置、或者任何其他類型的電子裝置。圖1的一個實施例中，副邊繞組104是連接一包括一二極體105和電容106的輸出校正電路。如圖1所示，開關電源100還包括連連接原邊繞組103以控制一電流通過原邊繞組的功率開關108。控制電路130與所述功率開關108連接以調節開關電源100的輸出。 開關電源100還具有與副邊繞組104連接的輔助繞組102，能夠通過一包括電阻111和112 的分壓器提供一表徵開關電源輸出反饋信號。在圖1的開關電源100中，控制電路130被定義去調節開關電源的輸出，通過控制功率開關108的開啟和關閉去改變經過轉換器原邊繞組103的電流。在一些實施例中，控制電路130可以被定義為維持一開關電源穩定的輸出電壓。在一些實施例中，控制電路130 可以被定義為維持一開關電源穩定的輸出電流。在其他申請中，控制電路130可以被定義為在某一運行條件下維持穩定的輸出電流，而在另一運行條件下維持穩定的輸出電壓。在特定的實施例中，控制電路130能夠運行在PWM模式下，提供一脈衝控制信號， 該脈衝控制信號具有一根據輸出負載的要求而變化的脈衝寬度。在PWM控制電路中，脈衝控制信號可以具有一個固定的開關頻率。在其他實施例中，控制電路130可以運行在PFM 模式下，提供一脈衝控制信號，而這個脈衝控制信號具有一根據輸出負載的要求而變化的開關頻率。在PFM控制電路中，脈衝控制信號可以具有一個固定的脈衝寬度。在圖1的開關電源100中，轉換器的輸出被功率開關108的開啟和關閉時間調節控制，所述應用在控制電路130中的功率開關108可以是一雙極性或者MOS功率開關。在斷續模式的PFM運行情況下，經過功率開關108的電流導通時間在不同輸出下被設置成為恆量，這時(不同輸出下)開關頻率隨負載而變化。在這種情況下，PFM脈衝控制信號具有一固定的脈衝寬度。負載情況由反饋輸入端115提供給控制器130去調節開關電源的輸出。 在圖1的實施例中，反饋信號是通過探測變壓器的輔助繞組102的電流提供。在另外的實施例中，反饋信號可以通過其他適當的手段提供。如圖1所示，控制器130被定義為通過一脈衝控制信號去開啟功率開關108，該脈衝控制信號響應端點115接收到的反饋信號。在一些實施例中，當經過功率開關的電流達到一參考值，這個脈衝控制信號被關閉，如通過比較經過感應電阻109(端點114)的電壓與一個Vref-cs (如圖3和圖4所示)端的參考電壓值來實現。在一些實施例中，這個脈衝控制信號可以具有一個固定的脈衝寬度。當功率開關108關閉，能量儲存在變壓器101的磁場中，轉換成副邊電路的電流為輸出電容106充電，從而提供給負載107輸出電壓和輸出電流。如果是大負載，功率開關108需要更加頻繁的關閉以提供更多電流給副邊電路。 當負載變小，開關頻率減少。在一傳統的PFM開關電源中，當輸出負載減小，功率開關的開關頻率也減小。正常情況下，開關電源可以被設計為運行在開關頻率在可聽頻率範圍內。但是，開關頻率在某種情況下能夠下降，如當輸出負載小的時候，當系統中存在斷路，或者當開關電源不穩定。拂過開關頻率下降到可聽範圍以下，如20KHz，可能噪音就會產生。本發明的實施例提供一種電路和方法，能夠減輕開關電源中的可聽噪音。在一些實施例中，開關電源包括控制功率開關的控制電路，控制電路被定義為當電源轉換器輸出電流或電壓值低於某輸出值時增加功率開關的開關頻率。當輸出低於這個輸出值時，電源轉換器可能產生可聽噪音。這個低輸出值時，功率開關的開關頻率增加到可聽範圍以上，從而使得可聽噪音不能夠聽見，但是控制器仍然保證希望的輸出。
在一特別實施例中，PFM控制電路被定義為用一脈衝控制信號調節一電源轉換器的輸出，該脈衝控制信號具有可變頻率。當一表徵電源轉換器的輸出的信號高於一選擇輸出值，控制電路被定義為維持脈衝控制信號在一第一脈衝寬度。當第一信號在第一輸出值以下，控制電路被定義為維持脈衝控制信號在第二脈衝寬度，該第二脈衝寬度比第一脈衝
寬度窄。一控制電路的例子被描述於以下關於圖1——圖4中。在圖1中，僅僅是控制電路 130的一部分，顯示可聽噪音抑制電路的運行示意圖，而其他傳統的PFM控制的控制電路這裡省略了。如圖1所示，控制電路130具有負載監控模塊132，以及控制模塊134，在一實施例中，負載監控模塊132被定義為決定一表徵電源轉換器的輸出值的第一信號。在功率開關開啟後提供一電流給副邊，控制模塊134被定義去決定何時通過用兩個不同參考輸出值去關閉功率開關。在另一實施例，當第一信號大於第一輸出值，如果表徵功率開關中電流的第二信號高於第一參考值，開關管被關閉。當第一信號低於第一輸出值，如果第二信號高於第二參考值，控制電路定義為關閉功率開關。圖2是圖1的開關電源中控制器的負載監測模塊的具體實施圖。負載檢測模塊被定義為產生一表徵一電源轉換器的輸出值的信號。如圖2所示，負載檢測模塊132包括第一端子115接收反饋信號連接於電源轉換器的輸出。這裡提及的數字113，114，115，116表示一個端點和這個端點有關係的信號。在圖1的一個實施例中，反饋輸入115是源自於副邊繞組102。為了調節開關電源，反饋輸入115通過一取樣保持電路(圖中未示)被取樣並保持，去表徵是否需要為副邊電路提供更多的功率。在本實施例中，反饋輸入115也被用來去檢測負載狀態。在較佳實施例中，負載監測模塊132還包括一比較電路，去比較反饋信號與反饋參考信號Vref3。在一些實施例中，從系統輸出的反饋信號115選擇Vref3去幫助辨別比較器301輸出的Tons時間。例如，在特別的實施例中，Vref3選擇為0. IV。在比較器301的輸出，Tons的佔空比等於通過副邊繞組的電流的導通時間的一部分，使得與開關周期相當。圖2中，由電阻302和電容303的組合電路，連接於比較器301的輸出脈衝信號 Tons去產生一個模擬信號Vdtons。第二比較電路304連接於組合電路去接受信號Vdtons， 以及提供表徵電源轉換器的輸出值的信號Vload。比較電路304具有第一端去接收模擬信號Vdtons和第二端去接收從一電壓除法電路來的反饋信號，該電壓除法電路包括串聯於電晶體307的電阻305，306。從圖2中可以看到，電晶體307是由一狀態信號Vau控制。在圖2的實施例中，信號Vau決定是否負載在可聽噪音能夠產生的範圍，S卩，決定功率開關的開關頻率是否增加。當Vau較低，如當開關電源運行在在可聽噪音產生範圍內，電晶體307 關閉，Vload被設置等於Vdtons。另一方面，當Vau較高，如當開關電源在可聽噪音產生範圍以外，電晶體 307 開啟，Vload = K*Vdtons，這裡 K = (R306+R305)/R306。信號Vau的產生在如下如圖3關於控制模塊134的描述中。在一些實施例中，當可聽噪音範圍被一信號所確定，控制電路被定義為增加功率開關的開關頻率，這個信號表徵電源轉換器的值(Vload)在第一輸出值以下。在一些實施例中，當可聽噪音範圍是由這樣一個信號所決定的時候，控制電路被定義為增加功率開關的開關頻率，這個信號表徵電源轉換器的值(Vload)，Vload低於第一輸出值且高於第二輸出值。圖3是圖1的開關電源中電源控制器的一部分控制電路。如圖3所示，控制模塊1；34包括比較器404，405和408，或門406，D觸發器407。為了舉例需要，圖3還顯示了圖 1中的開關電源100的功率開關108和電流感應電阻109。能夠看到比較器408的輸出信號116也是關閉功率開關108的控制信號。在一些實施例中，控制器130運行在一 PFM控制器，該控制器脈衝控制信號116具有固定的脈衝寬度。電流感應信號114連接於感應電阻109，表徵經過功率開關108的電流，因此，經過電源轉換器100的原邊繞組103。這裡， 比較器408比較電流感應信號114與電流感應參考信號Vref-cs，去決定何時關閉功率開關。本發明的實施例中，在高負載條件，如當沒有可聽噪音產生時，Vref-cs連接於參考值 Vrefl為了關閉功率開關108的脈衝控制信號116.在圖3中，圖2中的負載監測模塊中的Vload信號與比較器404及405的負載參考信號Vref4及Vref5分別比較。這裡，負載參考信號Vref4是選擇低於可聽噪音可能產生的負載值，功率開關的開關頻率需要增加以避免可聽噪音。在一些實施例中，Vref4可根據經驗選取。根據本發明的實施例，在負載非常低的情況下，可聽噪音不顯著或者不被發覺，這時不需要去增加開關頻率。在低負載情況下增加開關頻率，例如，在待機時，會增加系統的功耗。因此，在一些實施例中，例如圖3的實施例，Vload也與更低的第二負載參考信號 Vref5比較。僅在輸出負載低於Vref4且高於Vref5時增加開關頻率。這裡，Vref5是一個低的負載參考值，低於可聽噪音可以忽略的情況。一些實施例Vref5可根據經驗選取。在圖3中，如果電壓信號Vload小於參考電壓Vref4大於Vref5，比較器404和比較器405的輸出為低。在這種情況下，邏輯或門406提供一低信號給D觸發器407，接著407 的輸出Vau為低，下一次407記時。Vau的低值設置電流感應參考電壓，電壓Vref-cs比較器408的輸入，更低的比較電壓Vref2。需要注意到是，在圖3中，控制器的輸出116驅動第一開關108同時也用來時鐘信號給D觸發器407.當電流感應信號114達到Vref-cs，在比較器408的輸出的控制信號116關閉功率開關108在更低電流值Vref2.當電流感應信號114與Vref2比較，脈衝控制信號116的脈衝寬度比感應信號114與比較值Vrefl比較實的脈衝控制信號的脈衝寬度窄。結果，功率開關108的頻率增加，以達到輸出目標。在開關頻率增加的情況下，可聽噪音能夠被抑制。在低負載條件下，當功率開關開關頻率增加時，圖2中的Tons信號的佔空比通過一因數Vrefl/Vref2增加，電壓Vdtons也通過同樣的因數增加。在這種情況下，Vload不再表徵輸出負載條件，除非通過因數Vref 1/Vref2按比例減少。為了這個目的，電阻305、306 被選擇 K = (R306+R305) /R306 = Vref 1/Vref，Vload 通過圖 2 中的電阻 305、306 適當的減小，Vload仍然是負載情況的代表。如上所述，控制信號Vau的為低代表第一開關108的導通時間縮短以及頻率增加。 轉換器將保持這個狀態，直到負載變的比相應可聽噪音產生參考負載大。當負載增加，達到參考電壓Vref4，比較器404產生一高電壓，提供給圖3中的D觸發器407。下一次，D觸發器407通過信號116鎖定，D觸發器407的輸出Vau變高。這時，信號116也開啟功率開關 108.如圖3所示，Vau為高，說明輸出在可聽噪音產生範圍以外，選擇更高的參考電壓Vrefl 比較器408.這個Vau的高也開啟開關307，建立Vload = K*Vdtons按比例Vload適當表徵輸出負載。以上的控制電路的運行情況也可以如圖4，顯示不同信號作為負載電流或輸出電流Ιο。如圖4所示，一種控制電源轉換器的方法，包括檢測一第一信號，Vload，表徵一電源轉換器的輸出負載，增加功率開關的開關頻率當Vload達到低於負載參考值Vref4時。 在一特別實施例中，當Vload低於負載參考值Vref4，功率開關的開關頻率，如圖4中的功率開關的開關頻率(Switching Freq)低於一可聽噪音產生的值。當Vload大於Vref4時，參考電流信號Vrefl被用於關閉功率開關。如果Vload低於Vref4，參考電流值Vref2被用來關閉功率開關。圖4也顯示上述信號Vau，表徵輸出負載狀態，Vau為低表徵可聽噪音產生負載範圍，符合輸出電流低於Ιο 。如圖4所示，功率開關的開關頻率(Switching Freq)增加，當 Vload在可聽噪音產生的負載範圍，如當Vau為低。在圖4中注意的是，在一些實施例中， 開關頻率不增加在負載非常輕的條件下，即使開關頻率在可聽範圍內，Vau為高低於輸出值 Io2。但是，根據一些本發明的實施例，相關低噪音可以被接受，因為系統中的peak電流也為低。如圖4，當Vload = Vdtons低於參考電壓Vref5，負載情況信號Vau再一次變高，建立Vload = k*Vdtons選擇Vref-cs在Vrefl。在本實施例中，一個低的備用電源能夠獲得。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
權利要求
1.一種電源轉換器的噪音控制電路，是通過控制功率開關去調節所述電源轉換器的輸出，其特徵在於，當表徵電源轉換器輸出大小的第一信號低於第一輸出值時，所述噪音控制電路增加功率開關的開關頻率。
2.根據權利要求1所述的電源轉換器的噪音控制電路，其特徵在於，所述第一輸出值是產生人可聽噪音時電源轉換器的輸出。
3.根據權利要求1所述的電源轉換器的噪音控制電路，其特徵在於，還包括產生第一信號的第一電路，所述第一電路包括耦合輸出並接收反饋信號的第一端子；比較反饋信號與反饋參考信號的第一比較電路；連接於第一比較電路輸出並產生一模擬信號的組合電路；連接於組合電路並產生第一信號的第二比較電路，所述第二比較電路具有接收所述模擬信號的第一端；以及從一除法電路中接收反饋信號的第二端，該除法電路包括與一電晶體串聯的第一和第二電阻，該電晶體被一決定功率開關的開關頻率需要增加的狀態信號所決定。
4.根據權利要求1所述的電源轉換器的噪音控制電路，其特徵在於，所述控制電路被定義為當第一信號低於第一輸出值且高於第二輸出值時，增加功率開關的開關頻率。
5.一種用於權利要求1所述的噪音控制電路的脈衝頻率調製PFM控制電路，是用具有可變頻率的脈衝控制信號調節電源轉換器的輸出，其特徵在於，當表徵電源轉換器輸出大小的第一信號高於第一輸出值時，控制電路被定義為維持控制脈衝信號在第一脈衝寬度；當表徵電源轉換器輸出大小的第一信號低於第一輸出值時，控制電路被定義為維持控制脈衝信號在第二脈衝寬度。
6.根據權利要求5所述的PFM控制電路，其特徵在於，所述第二脈衝寬度比第一脈衝寬度窄。
7.根據權利要求5所述的PFM控制電路，其特徵在於，通過比較表徵功率開關的電流與參考電流來維持脈衝寬度。
8.一種電源轉換器的噪音控制的方法，該方法包括 改變功率開關的開關頻率去調節電源轉換器的輸出； 決定一表徵電源轉換器輸出大小的第一信號；當第一信號低於第一輸出值時，增加功率開關的開關頻率。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，當第一信號低於第一輸出值時，電源轉換器中可產生可聽噪音。
10.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，還包括 決定表徵功率開關中的電流的第二信號；如果第一信號高於第一輸出值，當第二信號高於一第一數值時，關閉功率開關； 如果第一信號低於第一輸出值，當第二信號高於一第二數值時，關閉功率開關。
全文摘要
本發明提供一種電源轉換器的噪音控制技術，控制電路是通過控制功率開關去調節所述電源轉換器的輸出，當表徵電源轉換器輸出大小的第一信號低於第一輸出值時，所述噪音控制電路增加功率開關的開關頻率。在具體實施中，第一輸出值是產生人可聽噪音時電源轉換器的輸出。另一方面，如果第一信號高於第一輸出值，當表徵率開關中的電流的第二信號高於一第一數值時，關閉功率開關；如果第一信號低於第一輸出值，當第二信號高於一第二數值時，關閉功率開關。
文檔編號H02M3/335GK102201738SQ20111012858
公開日2011年9月28日 申請日期2011年5月18日 優先權日2011年5月18日
發明者朱慧珍, 汪虎, 趙平安, 高超 申請人:上海新進半導體製造有限公司