開關電源中減小聲頻的方法和設備的製作方法

2023-05-19 19:09:56 2

專利名稱：開關電源中減小聲頻的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及電源，尤其涉及開關調節器。
背景技術：
電子設備使用電源進行操作。在許多今天的電子設備中，通常由於 開關模式電源的高效率和它們對功率的好的輸出調節而被使用。在一種
公知的開關電源中，使用開關模式電源控制電路可以將低頻(例如50 或60Hz電源頻率)，高壓交流電流(AC)轉化為高頻(例如30到300kHz) AC。這種高頻、高壓AC被應用到變壓器，以將電壓通常轉化為更低的 電壓，並且提供安全隔離。變壓器的輸出被整流以提供調整的DC輸出， 該調整的DC輸出可以用於為電子設備提供功率。開關模式電源控制電 路通常通過在閉環中檢測輸出並且控制所述輸出來提供輸出調節。
開關電源的設計是對效率、尺寸、重量和成本的矛盾需求的一種折 衷設計。提供額定輸出功率的最佳解決方案通常將開關頻率設為比20kHz 更高，超出人類聽覺的範圍。
調節的需要要求電源在諸如備用負載的低負載處以高頻運行，並且 在無負載時消耗非常低的功率。當電源提供比它的額定功率小的多的功 率時，電源中的能量損耗受來自開關動作的損耗控制。因此，對於電源 來說，當輸出功率低得可以減少主要損耗時，在更低的開關頻率上操作 是必須的。當減少負載以保持高效時，開關頻率可以線性減小。在低功 率上的最佳開關頻率通常落在20kHz以下的聲頻帶內。由於機械共振， 聲頻帶內的開關會在電源組件例如變壓器和陶瓷電容器內產生不受歡迎 的聲頻噪音。
一種可以減少開關損耗並提高在輕負載處的效率的公知技術是，在 輕負載處以觸發模式(burst mode)操作電源。觸發模式操作允許電源 在高的開關頻率上開關不受控制數量的連續的開關操作循環，後面有一 個在閉環中無開關調節的持續期間，以調整輸出。因此，減少了平均開
關頻率，以保持在輕負載上的高效率。觸發模式開關的不良特性就是， 對於給定的一組操作條件，不管是處於觸發中的連續的高頻開關操作循 環的數量，還是在觸發之間無開關的連續的循環的數量，都未被確定。 觸發模式操作的不確定特性導致了未受控制的聲頻噪音的危害。實際 上，由於更高的聲頻能量內容，如果後面跟有無開關期間的連續開關操 作循環的持續時間的重複頻率處在聲頻，則聲頻噪音比只線性減少頻率 的情況更糟，如前面描述的。聲頻噪音是使用觸發模式操作用來改進輕 負載效率和減少無負載消耗的主要缺點。
在開關電源中的其中一個最麻煩的噪音源是變壓器。在開關電源中
通常應用的鐵氧體磁心變壓器傾向於具有8kHz到15kHz範圍的機械共 振頻率。 一些陶瓷電容器，尤其是使用在箝位電路中與行逆程高壓電源 中的變壓器的初級繞組連接的那些陶瓷電容器還可以在這樣的聲頻上共 振。


參考附圖描述了本發明的非限制和非窮舉的實施例，其中相同的參 考標記在所有不同附圖中都指代相同的部分，除非另有特定的說明。 圖1A是一般地示出了給負載提供功率的實例開關電源的結構圖。 圖1B是一般地示出了圖1A中的實例開關電源的開關電流波形的 實例的圖表。
圖2是實例流程圖，通常示出了根據本發明的教導，給負載提供功 率的實例開關電源的操作的採樣流。
圖3A是實例示意性圖，通常示出了根據本發明的教導，給負載提 供功率的實例開關電源的實例控制器。
圖3B是實例示意性圖，通常示出了根據本發明的教導，固定頻率 峰值電流PWM調製器和選擇操作模式的選擇器比較器電路。
圖4是另一實例流程圖，通常示出了根據本發明的教導，給負載提 供功率的實例開關電源的操作的採樣流。
圖5是另一實例示意性圖，通常示出了根據本發明的教導，給負載 提供功率的實例開關電源的實例控制器。
圖6A是一般地示出了根據本發明的教導，在周期調製模式中操作
的開關電源的能量傳輸元件的磁通密度的圖表。
圖6B是一般地示出了根據本發明的教導，以高頻操作的開關電源 的能量傳輸元件中局部頻譜實例的圖表。
圖6C是一般地示出了根據本發明的教導，在無多周期調製的情況 下以低頻操作的開關電源的能量傳輸元件中局部頻譜實例的圖表。
圖7A是一般地示出了根據本發明的教導，在多周期調製模式中操 作的開關電源的能量傳輸元件中磁通密度實例的圖表。
圖7B是一般地示出了根據本發明的教導，在多周期調製模式中操 作的開關電源的能量傳輸元件中局部頻譜實例。
圖8A是一般地示出了根據本發明的教導，開關電源的能量傳輸元 件中未調製磁通密度信號的實例的圖表。
圖8B是一般地示出了根據本發明的教導，開關電源的多周期調製 器信號的實例。
圖8C是一般地示出了根據本發明的教導，多周期調製器信號的復 數傅立葉級數表示的正頻率和負頻率的係數相對值的圖表。
圖9是一般地示出了根據本發明的教導，實例未調製的開關信號和 多周期調製器信號的實例頻譜如何結合以產生多周期調製信號的實例頻 譜的圖表。
具體實施例方式
公開了一種在開關電源中可以在減小聲頻的同時能夠保持高效率的 方法和設備。在下面的描述中，為了提供對本發明的徹底的了解，提出 了大量特定的細節。然而，對於本領域技術人員顯而易見的是，要實現 本發明不需要應用特定的細節。在其它實例中，為了避免混淆本發明， 未詳細描述公知的材料或方法。
整個發明中"一個實施例"，"一實施例"，"一個實例"，"一實例" 等等都意味著根據實施例或者實例的特定特徵，結構或者特性包含在本 發明的至少一個實施例或者實例中。這樣，本發明中不同地方出現的短 語"在一個實施例中"，"在一實施例中"，"一個實施例"或者"一實施 例"沒必要都參考相同的實施例或者實例。另外，特殊的特徵，結構或 者特性可以以任何適當的組合和/或子組合在一個或多個實施例或者實例
中結合。另外，應當理解的是，提供的附圖是出於對本領域技術人員解 釋的目的，這些圖沒必要按比例製圖。
如將要進行討論的，公開的是電源開關的開關實例，它們可以大大 地減少電源組件在聲頻的機械性激勵，同時保持開關在同等聲頻上的優 點。根據不同的實例，具有短周期的開關操作循環集中到多個組中，該 多個組由無開關的間隔分開。根據本發明的教導，通過控制組的持續時 間和開關的開關操作循環的多個組之間的無開關的持續時間，實現開關 電源的輸出調整。
為了闡述，圖1A示出了通常的實例開關電源調節器100的功能性 結構圖。應當注意，圖1A中示出的實例開關電源調節器100是返饋開 關式電壓調節器，它是可以從本發明的教導中受益的開關電源拓撲的其 中一個實例。然而，應當理解的是，從本發明的教導中受益的也可以是 開關電源調節器的其它已知的拓撲和結構。
圖1A中的實例開關電源調節器100從未調節的輸入電壓Vw 105提 供輸出功率給負載165。輸入電壓Vw 105耦接到能量傳輸元件Tl 125 和開關Sl 120。在圖1A的實例中，能量傳輸元件Tl 125是具有兩個 繞組的變壓器。箝位電路110耦接到能量傳輸元件T1 125的初級繞組， 以控制開關Sl 120上的最大電壓。開關Sl 120響應於從控制器電路或 者控制器145接收到的開關信號112接通和切斷。在示出的實例中，開 關Sl 120是電晶體，控制器145包括集成電路和/或離散的電子元件。 在操作中，開關S1 120的開關在整流器D1 130中產生了脈動電流，該 電流由電容器Cl 135濾波以在負載165上產生基本恆定的輸出電壓V。
或者輸出電流I。。
將被調節的輸出量是U。 150,通常是輸出電壓V。、輸出電流I。或 者它們二者的組合。耦接反饋電路160以檢測來自電源輸出的輸出量U。 150，以產生輸入到控制器145的反饋信號UFB 155。另一個到控制器145 的輸入是電流檢測信號140，該信號檢測開關S1 120中的電流I。 115。 許多公知的測量開關電流方法中的任何一個方法，例如電流變壓器或者 離散電阻器上的電壓或者當電晶體導通時該電晶體上的電壓，都可以用 於測量電流lDl15。在圖1A的實例中，控制器145響應於系統輸入來操作開關SI 120， 以基本上調節輸出量U。 150到其期望值。因此在閉環中調節電源的輸 出。控制器145通常包括，定義具有周期Ts的開關操作循環的振蕩器。 可以通過控制一個或多個開關參數來實現調節，該參數可以確定從電源 調節器100的輸入傳輸到輸出的能量數量。
圖IB是一般地示出電流ID 115隨著時間變化的函數的圖。在一個 實施例中，開關S1 120在每一開關操作循環的開始都開啟。開關S1 120 導通，直到電流lD 115達到閾值lM^。在一個實例中，在恆定開關操作 循環周期Ts (恆定開關頻率)控制最大電流lMAx，保持了電流lD 115的 平均值位於調節輸出量U。 150所要求的值。該調節因此通過固定頻率 脈衝寬度調製技術實現，該技術作為固定頻率峰值電流脈衝寬度調製 (PWM)或者固定頻率電流模式控制而公知。在另一實例中，調節可以通 過改變在固定頻率上的開關的導通時間實現。這種控制模式作為固定頻 率電壓模式控制或者固定頻率電壓模式PWM而公知。雖然電壓模式是 與源自用於調節電源輸出電壓的電壓模式關聯，但是該術語繼續用於描 述相同的控制模式，即使是當被調節的輸出是電流或者電壓和電流的組 合。術語固定頻率PWM覆蓋了電流模式和電壓模式在固定頻率的控制 操作。在另一實例中，調節可以由PWM的另一形式實現，其作為周期 調製或者開關頻率調製而公知，其中開關中的電流在每一個開關操作循 環達到固定的峰值，並且調節周期Ts。在響應於電流ID的低平均值的輕 負載中，期望在更低的開關頻率進行操作，通常在聲頻範圍內，以減少 電源中的開關損耗。上面所有的三種調製技術都包括佔空比的調製，並 且因此被稱為通用的術語"佔空比調製"。
在實際應用中，調節輸出量Uo 150所需的電流ID 115的平均值可 能不是一個幵關操作循環上的平均值，而是包括許多開關操作循環的一 段時間上的平均值。該許多開關操作循環不需要具有相同的周期值。包 含不同周期值的開關操作循環的許多不同序列可以產生平均電流ID 115，該平均電流lDll5在指定的限制內調節輸出量U。150。
期望的是，控制開關操作循環的周期值和序列以避免可以產生聲頻 噪音的多種頻率。如在本發明後面將要描述的，根據本發明的教導，可
能產生聲頻噪音的聲頻值基本上通過將開關操作循環聚集為多個循環的 組而減小，可以調製這些多個循環的組以調節輸出。
圖2是實例流程圖， 一般地描述了根據本發明教導的一種用於控制 電源的方法。從塊205開始，在塊210中發生電源輸出檢測。
接下來，在塊215中，控制器使用從電源輸出檢測到的信息來估算 峰值電流IPK，該峰值電流是以固定開關操作循環Ts調節輸出所需要的。 下面，估算的峰值電流IpK與最小峰值電流IpKMiN在判定塊220進行比較。
在一個實例中，最小峰值電流Ipo^對應於需要減少平均開關頻率以減
少開關損耗的輕負載。
峰值電流IpK的估算和與最小峰值電流IpjcMjN的比較不需要精確或者 數字計算的結果。在一個實例中，峰值電流IpK是從反饋信號的值而估
算的。在一個實例中估算的前提就是大的反饋信號指一個輕負載，這需 要聲頻範圍內的開關頻率以滿足高效率的需要，聲頻範圍內的開關頻率
會產生討厭的多種電平的聲頻噪音。在這些情況下，判定塊220判定
JpKMiN^PK，流程就會轉到塊230。在塊230中，峰值電流IpK被固定在值 IpKMiN，開關操作循環周期Ts固定在值T^。然後使用塊235中的多周期 調製實現調節。
如在塊235中所示的，多周期調製通過聚集開關信號中的N個開關 周期來實現輸出的調節，每一個開關周期都具有周期TSQ，緊跟著無開 關的M個T^周期。在實例中，N和M都是可以調節的，分別限制在 最小值N，和MMIN。開關信號中的開關和無開關的最終模式在圖1A 中給出了相同的平均電流ID115，其中在固定開關操作循環周期具有不 中斷的開關，該固定開關操作循環周期對應於可以產生更大開關損耗和 降低效率的更高的開關頻率。在實例中，根據本發明教導的具有多周期 調製的開關模式實質上產生了，比使用普通峰值電流脈寬調製的未分組 模式更少的聲頻噪音。
如果判定塊220判定IPKMIN《IPK，那麼流程直接到塊225，以便通 過在固定開關頻率的峰值電流PWM而不是多周期調製來實現調節。在
一個實施例中，IpKM!N被設為接近電源最大輸出功率的峰值電流的25%。
在一個實施例中，固定開關頻率為30kHz。在一個實例中，根據本發明
的教導，多周期調製可以用於調節低輸出功率的傳遞，而以固定頻率峰
值電流模式控制而公知的固定頻率峰值電流PWM可被用於調節更高的 輸出功率的傳遞。
這樣，在一個實例中，依靠峰值開關電流IpK和最小峰值開關電流
IpKMIN之間的關係，可以根據第一或第二操作模式控制開關導通。在第 一操作模式中，在開關操作循環的固定周期內控制開關以導通，調節開 關操作循環的固定周期內的峰值開關電流以調整電源輸出。可替代的， 在第二操作模式中，在具有固定周期的開關操作循環內控制開關以導 通， 一組連續的開關操作循環與下一組連續的開關操作循環被無開關的 時間分離，調節無開關的時間以調整電源輸出。在實例中，可以調節無 開關的時間，以便開關操作循環的頻率落在聲頻範圍之外。在一個實例 中，開關操作循環的組包括至少兩個連續的開關操作循環。
在一個實例中，根據本發明的教導，可以應用固定頻率電壓模式
PWM而不應用峰值電流模式PWM來調節更高功率的傳遞。在該實例 中，使用PWM還是多周期調製的判定可以基於開關的導通時間而不是 在調節中保持輸出所需要的峰值電流。例如，當響應於反饋信號，導通 時間減少並且與指示輕負載的閾值交叉時，操作從固定頻率電壓模式 PWM改變到多周期調製。
圖3A —般地示出了包含在用於電源控制器中的多周期調製器340 的實例示意性圖345，其使用了圖2中示出的方法。在該實例中，耦接 反饋控制塊302以接收涉及電源輸出的檢測信號350。檢測信號350可 以表示一個或多個參數的組合，例如輸出電壓、輸出電流、開關中的電 流、開關定時、電源輸入電壓、使能信號、禁止信號等等，它們都是在 某一時間內產生的。檢測信號350實質上可以是模擬信號或者數位訊號。 為了響應檢測信號350，反饋控制塊302產生反饋電流IFB 356，該反饋 電流IFB 356對應於需要保持調節輸出的峰值開關電流。電流IFB被電阻 器Rl 358轉化為電壓VFB 352。與最小峰值開關電流IpKMw成比例的固 定電流同樣由電阻器R2 360轉化為固定參考電壓VIPKMIN354。電壓VFB 352和固定參考電壓VIPKMIN 354被調製塊306接收，以產生具有固定開 關頻率的脈寬調製開關信號308，其響應於在與門310的第一輸入的固
定開關操作循環Ts。在一個實例中，塊306通過調節電源的開關S1 120 中的峰值電流IPK改變開關信號308的脈衝寬度。開關Sl 120中的電流 被電流檢測電阻器Rs 370轉化為電流檢測電壓VIS1372。電流檢測電壓 VIsl372被塊306接收。在一個實例中，當反饋電流IFB 356大於最小參 考峰值開關電流IPKMIN時，峰值電流IPK與反饋電流IFB 356成比例，當 反饋電流小於IpKMW時，峰值電流IpK被固定在值IPKMIN。執行塊306功 能的電路的一個實例在圖3B中示出，並且在本發明的後面進行描述。 比較器314比較電壓V"n352與參考電壓V_、,m354。沐圖3A的實例中， 在反相器320的輸入處，比較器314的輸出被多周期調製器電路340作 為信號316接收，並且輸入到與非(NAND)門324的第一輸入。如在 實例中所示，多周期調製器電路340生成信號332，響應於來自比較器 314的信號316啟用或者禁止在與(AND)門310輸出的幵關信號312。 當電壓VFB352大於參考電壓VIPKMIN354時，來自比較器314的信號316 為高。當電壓VFB 352小於參考電壓VIPKMIN354時，來自比較器314的 信號316為低。當信號316為髙，多周期調製器電路340在與門310的 第二輸入設置信號332為高，從而啟用或者允許來自塊306的脈衝寬度 調製開關信號308在與門310的輸出上不中斷，這在示出的實例中是耦 接到開關S1 120的開關信號312。在一個實例中，開關S1120是功率金 屬氧化物場效應電晶體(MOSFET)。當信號332在與門310的第二輸入 上為低時，脈衝寬度調製開關信號308被禁止或者不允許出現在與門310 的輸出上。
當信號316為低時，周期Ts被固定在值T^。此外，當信號316為 低時，多周期調製器電路340允許開關信號308在最小數量NMw開關操 作循環內出現在開關信號312，每一個開關操作循環都具有周期TS(3， 在最小數量MMIN的開關操作循環內禁止開關信號312，每一個開關操 作循環都具有周期TSQ。在一個實例中，多周期調製器電路340包括耦 接的鎖存器，以接收來自比較器314輸出的信號316。如在實例中所示 出的，鎖存器由與非門326和328以及反相器320和330形成，並且耦 接到邊緣檢測器348，該邊緣檢測器耦接到單次定時器338。邊緣檢測 器348包括異(XOR)門342、反相器344和延遲346，如所示出的。 在一個實例中，當來自鎖存器的反相器330輸出的信號332從高變 到低以及從低變高時，邊緣檢測器348在線路336上產生邏輯低以持續 近30納秒。當線路336變低，單次定時器338在N廳T犯或者M,T犯 的持續時間內在線路334上產生邏輯低。當線路332為高時，線路334 上的邏輯低的持續時間為NMINTSC}。當線路332為低時，線路334上的 邏輯低的持續時間為MMINTS(}。在一個實施例中，NMw被選擇為接近4 個周期，MMw為O周期。在一個實施例中，對應於固定周期T^的頻率 為30kHz。
圖3B示出了執行圖3A中的塊306功能的電路實例圖，其包括固 定頻率峰值電流調製器和模式選擇器比較器。模式選擇比較器368接收 電壓VFB352, VIPKMIN354和VIS1372。模式選擇比較器368產生輸出374， 該輸出由鎖存器362的輸入接收。鎖存器362的另一輸入從振蕩器366 接收定時信號364。鎖存器362的輸出是脈衝寬度調製開關信號308。
圖4是另一實例流程圖，描述了根據本發明的教導用以控制電源的 另一方法。從塊405開始，在塊410發生電源輸出的檢測。
接下來，在塊415中，控制器使用從電源輸出檢測到的信息，來估 算調整具有周期調製的輸出所需要的等效開關頻率fEQ。下面，估算的 開關頻率f^與參考頻率fs^在判定塊420進行比較。在一個實例中， 參考頻率fj^大於或者等於所關心的最高聲頻。在一個實施例中，參考 頻率接近於30kHz。
開關頻率f^的估算以及與參考頻率f^f的比較都不需要精確的或 者數字計算結果。在一個實例中，開關頻率fEQ基於反饋信號被估算為 高於或者低於參考頻率fj^。 f^低於fREF的估算暗指輕負載需要聲頻範 圍內的開關頻率。在這些情況下，判定塊420判定fREF>fEQ，流程轉到 塊430。周期Ts在塊430中被固定在值TSC}。然後在塊435中實現多周 期調製的調節。
如在塊435中所示，多周期調製通過在開關信號中聚集N個開關操 作循環實現輸出的調節，每一個開關操作循環都具有周期Tsfl，緊跟著 無開關的周期T犯的M個循環。在實例中，N和M都是可以調製的， 分別限制為最小值Nmw和Mmin。開關信號中的開關和無開關的最終模
式在圖1A中都給出了相同的平均電流ID 115,以具有固定開關操作循 環周期的開關頻率f^不間斷地開關。在實例中，根據本發明的教導， 分組調製的開關模式實質上產生了比具有普通周期調製的未分組模式更 少的聲頻噪音。
如果判定塊420判定fREF《f^，那麼流程轉到塊425，以便通過周 期調製而不是多周期調製來實現調節。在一個實施例中，周期調製頻率 範圍是30kHz到66kHz。在另一實施例中，周期調製頻率範圍是30kHz 到132kHz。在一個實例中，根據本發明的教導，多周期調製可以用於
調節低輸出功率的傳遞，周期調製可以用於調節更高輸出功率的傳遞。
這樣，在一個實例中，依靠開關頻率f^和參考頻率fj^之間的關 系，可以根據第一或第二操作模式控制開關導通。在一個操作模式中， 在開關操作循環內控制開關導通，調節開關操作循環周期以調節電源輸 出。可替代的，在第二操作模式中，可以在具有固定周期的開關操作循 環內控制開關導通， 一組連續的開關操作循環與下一組連續的開關操作 循環被無開關的時間分離，調節無開關的時間以調整電源輸出。在實例 中，可以調節無開關的時間以便對應於開關操作循環周期的頻率落在聲 頻範圍外。在實例中，開關操作循環的組包括至少四個連續的開關操作 循環。
圖5示出使用了圖4中方法的電源的控制器545的實例示意性圖。 在實例中，耦接反饋控制塊302以接收涉及電源輸出的檢測信號350。 如所討論的，檢測信號350可以表示一個或多個參數的組合，例如輸出 電壓、輸出電流、輸出功率、開關中的電流、開關定時、電源輸入電壓、 使能信號、禁止信號等等，它們都是在某一時間內產生的。檢測信號350 實質上可以是模擬信號或者數位訊號。為了響應檢測信號350，反饋控 制塊302產生等效開關頻率信號fEQ504，該等效開關頻率信號對應於保 持調節輸出所需要的開關頻率。信號fEQ504被周期調製塊506接收以產 生在與門310的第一輸入上的具有周期Ts的周期調製開關信號508。比 較器514比較信號fEQ504和參考信號fREF518，在一個實例中該參考信號 對應於周期調製開關所需要的最小開關頻率。在圖5的實例中，比較器 514的輸出被多周期調製器電路340在反相器320的輸入作為信號516
接收，並且傳遞到與非門324的第一輸入。如在實例中所示的，多周期 調製器電路340生成信號332，它響應於來自比較器514的信號516啟 用或者禁止在與門310輸出上的開關信號512。當信號f^ 504大於參考 信號fj^518時，來自比較器514的信號516為高。當信號4q 504小於 參考信號fREF518時，來自比較器514的信號516為低。當信號516為 髙，多周期調製器電路340在與門310的第二輸入設置信號332為高， 從而啟用或者允許來自周期調製塊506的周期調製開關信號508不間斷 地出現在與門310的輸出上，其在示出的實例中是開關信號512。當信 號332在與門310的第二輸入上為低時，周期調製開關信號508被禁止 或者不允許出現在與門310的輸出上。
當信號516為低，多周期調製器電路340允許開關信號508在最小 數量Nmw組具有周期T^的開關操作循環內出現在開關信號512，在最 小數量Mmw組具有周期T犯的開關操作循環內禁止開關信號512。在一 個實例中，多周期調製器電路340包括耦接的鎖存器，以接收來自比較 器514輸出的信號516。如在實例中所示出的，鎖存器由與非門326和 328以及反相器320和330形成，並且耦接到邊緣檢測器348，該邊緣 檢測器348耦接到單次定時器338。邊緣檢測器348包括異門342、反 相器344和延遲346，如所示出的。
在一個實例中，當來自鎖存器的反相器330輸出的信號332從高變 到低以及從低變高時，邊緣檢測器348在線路336上產生持續近30納 秒的邏輯低。當線路336變低，單次定時器338在NM^TsG或者MMwTsG 的持續時間內在線路334上產生邏輯低。當線路332為高時，線路334 上邏輯低的持續時間為NMINTse。當線路332為低時，線路334上的邏 輯低的持續時間為MMwTse。
然而在另一實例中，除了峰值開關電流IpK或者等效開關頻率f印之 外的不同參數可以作為多周期調製和可替代的控制模式之間進行選擇的 標準。例如，可替代的控制模式可以是固定開關頻率電壓模式PWM。 在該模式中，只要導通時間在響應於反饋信號的特定閥值之上，就調節 開關的時間。當反饋信號要求低於最小閾值的導通時間表示輕負載情況 時，導通時間可以被固定在該值，並且控制模式可以被切換到多周期調
制。另外可替代的控制模式可以是具有固定導通時間或者固定空閒時間 的可變頻率，其使用了最小的開關頻率作為用於多周期調製的指示。
因此，在一個實例中，控制器耦接到電源中的開關，以控制在開關 操作循環內的開關的開啟和切斷。在實例中，開關耦接到能量傳輸元件，
例如電源的能量傳輸元件T1 125。 一組開關操作循環和下一組開關操作 循環通過無開關的時間分離，調節無開關的時間以調節從電源輸入到電 源輸出的能量傳輸。在實例中，在一組開關操作循環中最小數量的連續 周期是固定的。另外，通過在開關操作循環內控制開關導通和調節循環 的周期以調節輸出，控制器可以在額外的模式下操作以調節更高的功率 輸出。為了解釋，圖6,圖7，圖8和圖9示出了根據本發明的教導， 開關操作循環的模式和生成可以產生聲頻噪音的頻率之間的關係，以啟 動多周期調製的參數值的選擇。
電流ID 115在能量傳輸元件Tl 125中產生磁通密度B (見圖1)。 圖6A的圖表示出了磁通密度B隨著時間變化的函數的通常波形的一個 實例。峰值磁通密度Bp出現在電流lD 115的峰值電流IM^。磁通密度B 在周期Ts內的時間TA上是有效的。
考慮磁通密度B的頻譜內容是重要的，這是因為磁通密度會產生能 夠改變能量傳輸元件Tl 125的形狀的機械力。如果磁通密度B包含聲 頻範圍內的頻率組件，在該聲頻範圍內可以使得能量傳輸元件T1 125共 振，則可能產生不能採用的高聲頻噪音。
圖6B和6C示出了圖6A中波形的局部頻譜。圖6B中示出了來自 高開關頻率的頻譜，而圖6C示出了在相同頻率範圍內的來自低開關頻 率的頻譜。
在頻率軸上的垂直線示出了表示圖6A中波形的複數傅立葉級數中 相對係數值。本領域技術人員將知曉具有周期T。的周期性函數f(t)可以 表示為
formula see original document page 19
其中
係數Cn通常是具有實數部分和虛數部分的複數。雖然實數部分和虛 數部分必須用於正確的計算，但只需要考慮係數值cn以解釋和理解本發 明。
在圖6B和圖6C中沒必要示出n<0時係數c。的相對值，這是因為
在負頻率處的該相對值和在正頻率處的相對值相同。 |CJ = |C"| n=l,2，....
圖6A中的磁通密度B的平均值是係數cQ，並且由圖6B和圖6C中 的在0頻率上的線表示。對應於周期Ts的基頻fs的係數由圖6B和圖6C 中在頻率fs的線表示。基頻的諧波的量作為在整數倍基頻上的線示出。
在通常的能量傳輸元件例如鐵氧體磁心變壓器中產生機械變形的 力，可以產生與磁通密度的平方成比例的聲頻噪音。顯示這些係數的值 是有用的，這是因為在每一個頻率處的功率也由該值的平方表示。因此， 期望的是，在聲頻範圍內減少所有係數的值。
為了闡述，圖6B和圖6C示出了在較低的邊界fxMw和較高的邊界 fxMAx之間的頻率範圍，該範圍期望減少或者排除來自圖6A中的磁通密
度的所有激勵。在一個實例中，fxM!N和fxM^分別是對應於元件的共振
頻率範圍的較低和較高邊界，所述元件例如在開關電源中通常應用的變
壓器和陶瓷電容器。在一個實施例中，fx,的通常值是8kHz， f^^的 值通常是15kHz。
在產生圖6B中的頻譜的高開關頻率，在fxMw和^MAx之間的區域
內無頻譜分量。當周期Ts增加並且開關頻率變得更低以調節輸出時， 基頻fs上的基波分量和多個基頻fs的所有諧波在頻率軸上向0靠得更
近。在圖6C的實例中，開關頻率的基波分量從大於fxM^的值變到fxMw 和fxMAX之間的專有區域，這可能使得例如變壓器發生共振。
有可能重新排列圖6A中的磁通密度的波形的激活時間T八以減少包
含在fxMIN和fxMAX之間區域內的功率，同時保持調節輸出所需要的相同
平均值。 一種適當的重新排列的實例在圖7A中示出，它的頻譜在圖7B
中示出。
圖7A示出了一組N個開關操作循環周期或者在具有對應周期Tse 的開關頻率fw上的N個周期，後面緊跟無開關的時間。無開關的時間
是周期Tw的多重M倍。調節倍數M以保持與圖6A中示出的波形相同 的平均磁通密度，這可以由等效開關頻率f^獲得。組周期T。是N個周 期T^與無開關的時間之和。因此，為了調節輸出，周期T^未改變， 而組周期To被調節。
在文中我們稱圖6A中開關操作循環的周期Ts的調節為周期調製。 我們稱圖7A中的組周期To調節為多周期調製。
圖7B示出了在N=M=11和TSQ=2TA的情況下，圖7A中組調製磁 通密度的比例尺製圖的實例頻譜。圖6C示出了周期調製磁通密度的頻 譜，其可以產生與圖7B中頻譜相同的具有組調製磁通密度的輸出功率。 圖6C中的開關頻率或者頻率fs與圖7B中的頻率f^等效。圖6C和圖
7B中的頻譜比較示出了多周期調製大大減少了 fXMD^n f^Ax之間的專有
範圍內的功率。頻率範圍內的全部功率由該範圍內的值的平方和表示。 為了進一步闡述，圖7A中的多周期調製磁通密度可以視為圖8A
中的未調製信號乘以圖8B中的多周期調製器信號。用於多周期調製的
設計參數可以通過檢查兩信號的頻譜來確定。
圖8C示出了圖8B中多周期調製器信號的複數傅立葉級數表示中用
於正、負頻率的係數的相對值。N-M的情況容易闡述，這是因為偶數
數量的諧波是0。本領域技術人員可以容易地確定N和M為任意值的係數。
圖9示出了圖8A中未調製開關信號的頻譜和圖8B中多周期調製 器信號的頻譜是如何結合以產生圖7A中的多周期調製信號的頻譜。本 領域技術人員將知曉，時域中的兩個信號的相乘等效於頻域內兩個信號 的頻譜的巻積。也就是說，未調製磁通密度信號B(t)與組調製器信號G(t) 的相乘產生了具有頻譜c(f)的組調製信號C(t),從而
c(f)= ￡A -"血
其中b(f),g(f)和c(f)分別是B(t), G(t)和C(t)的頻譜，x是沿著頻率軸 的積分的偽變量。
用圖表比較容易表示和執行巻積操作，尤其是在當頻譜在唯一的離 散頻率上非零時。為了執行圖解巻積，關於0頻率軸首先交換或翻轉組 調製器的頻譜，以便頻率可以變得向左更正和向右更負。雖然由於對稱
的原因，翻轉的頻譜值與原來的頻譜相等，但是這種翻轉對於在係數中 需要適當符號的正確數字計算來說是必須的。
在圖9中，未調製開關波形的頻譜的正頻率部分示出了 1^=21\的 情況。只示出了在0頻率和基頻的係數，這是因為更高的諧波比最高的 感興趣的頻率要大得多。圖形過程用於獲得在任意感興趣頻率上的多周 期調製開關波形的頻譜值。為了獲得圖形化的多周期調製開關波形的頻 譜係數，沿著頻率軸滑動多周期調製器的翻轉頻譜，以便多周期調製器 頻譜的0點處在感興趣的頻率上。然後在多周期調製器頻譜中的每一系 數都和與該係數對齊的未調製頻譜的係數相乘。將所有的乘積相加，以 獲得用於感興趣頻率上的多周期開關頻譜的係數值。
雖然多周期調製器的頻譜包含無限數量的係數，但只需要考慮最重 要的係數以獲得多周期開關頻譜的較好近似值。在大部分實際實例中， 超過前三個或四個的係數都可以被忽視掉。圖9中的實例示出，在多周 期調製開關頻譜中的係數c15的量幾乎是未調製開關信號的係數h的量 與多周期調製器的係數&的量的乘積。這個值是近似的，這是因為所有 更高諧波的乘積都被忽略了。在圖9的實例中，在偶數數量的頻率的系 數都是精確的，這是因為和只包含非0的一項。
對圖9的研究產生了引導用於組調製的參數選擇的關係。使用由fXMIN
和fxMAx確定的排他頻率的區域，其中fXMiN<fXMAx，選擇組開關頻率fsc 以使formula see original document page 22
確定了多周期調製器的頻譜中最重要的頻率為基頻&的W倍，以 便所有的大於fo的W倍的頻率在巻積中都是可忽略的，在該巻積中確 定排他頻率的區域內的係數。通常，只有fe的前兩個或三個諧波具有任 意真實的重要性，所以乘數W不大於2或者3。所以
最適宜的值是用於充分減少排他頻率的區域內的最低要求。 對於產生具有多周期調製與具有周期調製的相同輸出功率的等效頻 率fp。，調製乘數M—定為
M = N(A — i)
/吸
對應於多周期組頻率
在組之間的時間必須為T^整數倍的實例中，M的正確值是具有不 同整數值M的多個組周期上的平均值。在一個設計中，要求設計一個 最小整數值M以便M》N。由於當fEQ-fxMAx時M是最小值，選擇fse = 2fXMAX。由於最小值M的約束，W=3的選擇通常對於所有M都是有效 的。作為一個實例，通常設計為在8kHz的fXMn^t] 15kHz的fxMAx之間 (其中變壓器同樣具有機械共振)的聲頻範圍內減少頻率可以使用fSC}= 30kHz。 W=3的選擇將給出N》5.625，所以N=M=6。使用組周期的調
制將一個最小值的六個周期的連續開關作為一組，後面緊跟著無開關的 最小值的六個周期。
這樣，在一個實例中，開關電源中的開關在基本固定周期的開關操 作循環內控制開關的接通和切斷。由無開關的時間將至少一組開關操作 循環與下一組開關操作循環分離，調節無開關的時間以調節開關電源的 輸出。在實例中，無開關的時間被調節為開關操作循環的基本固定周期 的整數倍的時間。另外，無開關的時間可以至少為開關操作循環的組的 時間那麼長。
本發明的上述實例的上述內容，包括摘要中所描述的，並不試圖窮 盡或者限制在公開的確切的形式。同時本發明的特定的實施例或者實例 為了闡述的目的而被描述，不同的等效變化都是可能的，這些本領域技 術人員都清楚。實際上，應當理解，特定電壓、電流、頻率、功率範圍 值、時間等等都是用於解釋的目的而提供的，根據本發明的教導其它值 也可以應用在其它實施例和實例中。
根據上面詳細的描述可以對本發明的實例進行變化。在下面的權利 要求中使用的術語不應當被解釋為將本發明限制在說明書和權利要求中 公開的特定實施例。相反，可以完全由下面的權利要求確定範圍，該權 利要求可以由權利要求的解釋所建立的原則來限制。
權利要求
1、一種方法，包括控制開關電源的開關在開關操作循環內接通和切斷，該開關操作循環具有基本固定周期；通過無開關的時間將一組連續的開關操作循環與下一組連續的開關操作循環分離，每一組連續的開關操作循環都具有至少預定最小數量的兩個或更多開關操作循環；以及在閉環中調節所述無開關的時間，以調整開關電源的輸出。
2、 根據權利要求1的方法，其中預定最小數量的連續開關操作循 環是4。
3、 根據權利要求1的方法，其中在開關操作循環內傳遞的能量小 於在開關操作循環內可傳遞到開關電源的輸出的最大能量。
4、 根據權利要求1的方法，其中調節無開關的時間包括將連續的 開關操作循環的組之間的無開關的時間調節為基本固定周期的整數倍的 時間。
5、 根據權利要求4的方法，其中無開關的時間至少為兩個基本固 定周期。
6、 根據權利要求1的方法，其中響應於基本固定周期的開關頻率 落在排他頻率的區域之外，調節所述無開關的時間實質上減少了排他頻 率的區域內的能量。
7、 根據權利要求6的方法，其中排他頻率的區域包括聽覺範圍內 的頻率。
8、 根據權利要求6的方法，其中排他頻率包括開關電源中使用的 組件的機械共振頻率。
9、 根據權利要求6的方法，其中排他頻率的區域包括開關電源中使用的變壓器的機械共振頻率。
10、 一種方法，包括在第一操作模式下控制開關以在開關操作循環內導通，該開關操作 循環具有周期；調節開關導通的佔空比，以在第一操作模式下調節開關電源的輸出；在第二操作模式下控制該開關以在開關操作循環內導通，通過無開 關的時間將一組連續的開關操作循環與下一組連續的開關操作循環分 離，每一組連續的開關操作循環都具有至少預定最小數量的兩個或更多 基本固定周期的開關操作循環以及調節無開關的時間，以在第二操作模式下調整開關電源的輸出。
11、 根據權利要求10的方法，其中在第一操作模式下的開關導通 的佔空比被調節在開關操作循環的基本固定頻率上。
12、 根據權利要求10的方法，其中通過調節開關導通佔空比來控制第一操作模式中的開關包括，調節開關操作循環的頻率。
13、 根據權利要求10的方法，其中響應於開關操作循環的周期的 頻率在排他頻率的範圍之外。
14、 根據權利要求13的方法，其中在第二操作模式下調節無開關 的時間包括，將無開關的時間調節到至少兩個基本相等周期的時間。
15、 根據權利要求10的方法，其中響應於第二操作模式中組內的開關操作循環的周期的頻率大於排他頻率的區域的最高頻率限制。
16、 根據權利要求15的方法，其中調節無開關的時間實質上減少了排他頻率的區域內的能量。
17、 根據權利要求15的方法，其中排他頻率的區域包括聽覺範圍 內的頻率。
18、 根據權利要求15的方法，其中排他頻率的區域包括開關電源 中使用的組件的機械共振頻率。
19、 一種設備，包括 耦接到電源的能量傳輸元件的開關；以及耦接到開關的控制器，控制在開關操作循環內開關的接通和切斷，該開關周期具有基本固定周期，其中通過無開關的時間將一組連續的開關操作循環與下一組連續的開關操作循環分離，每一組連續的開關操作 循環具有至少預定最小數量的兩個或更多開關操作循環，其中通過調節無開關的時間，在閉環中調整從電源輸入到電源輸出的能量傳輸。
20、 根據權利要求19的設備，其中通過進一步將一組內的開關操 作循環的數量調節到預定最小數量之上，在閉環內調整從電源輸入到電 源輸出的能量傳輸。
21、 根據權利要求19的設備，其中兩個或更多開關操作循環的預 定最小數量為4。
22、 根據權利要求19的設備，其中每一組中連續的開關操作循環 的數量固定在4。
23、 根據權利要求19的設備，其中無開關的時間是開關操作循環 的基本固定周期的整數倍。
24、 根據權利要求19的設備，其中通過控制開關在開關操作循環 內導通，控制器在第二操作模式下操作以調整電源的輸出，並且調節開 關操作循環的周期以調節輸出。
25、 根據權利要求24的設備，其中第一操作模式用於傳遞低輸出 功率，第二操作模式用於傳遞較高輸出功率。
26、 根據權利要求19的設備，其中通過使用固定頻率脈衝寬度調 制在開關操作循環內控制開關導通，控制器在第二操作模式下操作以調 整電源輸出。
27、 根據權利要求26的設備，其中第一操作模式用於傳遞低輸出 功率，第二操作模式用於傳遞較高輸出功率。
28、 根據權利要求26的設備，其中固定頻率脈衝寬度調製包括固定頻率電流模式控制。
29、 根據權利要求26的設備，其中固定頻率脈衝寬度調製包括固 定頻率電壓模式控制。
30、 根據權利要求19的設備，其中控制器包括反饋電路，耦接所述反饋電路以響應於來自電源輸出的檢測信號產 生等效開關頻率信號；以及比較器，耦接所述比較器以比較等效開關頻率信號和參考信號。
31、 根據權利要求30的設備，其中控制器進一步包括耦接到反饋 電路的周期調製電路，以響應於等效開關頻率信號產生周期調製開關信 號。
32、 根據權利要求31的設備，其中控制器進一步包括耦接到比較 器輸出的多周期調製器電路，耦接該多周期調製器電路以啟動或者禁止 來自控制器的開關信號。
33、 根據權利要求32的設備，其中多周期調製器電路進一步包括 耦接到比較器輸出的鎖存器； 耦接到鎖存器輸出的邊緣檢測器；以及單次定時器，耦接所述單次定時器以接收來自邊緣檢測器輸出的信 號，以產生來自控制器的開關信號的開關操作循環的組之間的無開關的 持續時間。
34、 一種方法，包括控制開關電源的開關在開關操作循環內接通和切斷，該開關操作循 環具有周期；通過無開關的時間，將至少一組預定數量的兩個或更多連續的開關 操作循環與下一組預定數量的兩個或更多連續的開關操作循環分離；以 及在閉環中調節無開關的時間，以調整開關電源的輸出。
35、 根據權利要求34的方法，其中開關操作循環的周期基本是固定的。
36、 根據權利要求35的方法，其中至少一組預定數量的兩個或更 多連續開關操作循環包括一組至少四個連續開關操作循環。
37、 根據權利要求35的方法，其中至少一組預定數量的兩個或更多連續開關操作循環包括四個連續開關操作循環。
38、 根據權利要求35的方法，其中在開關操作循環內傳遞的能量 小於在開關操作循環內可傳遞到開關電源的輸出的最大能量。
39、 根據權利要求35的方法，其中調節無開關的時間包括將組之間無開關的時間調節為開關操作循環的基本固定周期的整數倍的時間。
40、 根據權利要求34的方法，其中開關操作循環的開關頻率在排 他頻率區域之上，調節無開關的時間實質上減少了排他頻率區域內的能
41、 根據權利要求40的方法，其中排他頻率區域包括聽覺範圍內5 的頻率。
42、 根據權利要求40的方法，其中排他頻率區域包括開關電源中 使用的組件的機械共振頻率。
43、 一種設備，包括耦接到電源的能量傳輸元件的開關；以及控制器，耦接到所述開關以在開關操作循環內控制開關的接通和切 斷，其中通過無開關的時間將一組具有預定數量的兩個或更多連續的開 關操作循環與下一組具有預定數量的兩個或更多連續的開關操作循環分 離，其中在閉環內調節無開關的時間，以調整從電源輸入到電源輸出的 能量傳輸。
44、 根據權利要求43的設備，其中開關操作循環的周期基本是固 定的。
45、 根據權利要求44的設備，其中具有預定數量兩個或更多連續開關操作循環的組包括一組至少四個連續的開關操作循環。
46、 根據權利要求44的設備，其中預定數量的兩個或更多開關操 作循環是四個開關操作循環。
47、 根據權利要求44的設備，其中組之間無開關的時間是開關操作循環的基本固定周期的整數倍。
48、 根據權利要求44的設備，其中通過控制開關在開關操作循環 內導通，控制器在第二操作模式下操作以調整電源的輸出，並且調節開 關操作循環的周期以調整輸出。
49、 根據權利要求48的設備，其中第一操作模式用於傳遞低輸出 功率，第二操作模式用於傳遞較高輸出功率。
50、 根據權利要求44的設備，其中通過使用固定頻率脈衝寬度調 制在開關操作循環內控制開關導通，控制器在第二操作模式下操作以調 整電源輸出。
51、 根據權利要求50的設備，其中第一操作模式用於傳遞低輸出 功率，第二操作模式用於傳遞較高輸出功率。
52、 根據權利要求50的設備，其中固定頻率脈衝寬度調製包括固 定頻率峰值電流脈衝寬度調製。
53、根據權利要求50的設備，其中固定頻率脈衝寬度調製包括固 定頻率電壓模式脈衝寬度調製。
全文摘要
公開了一種開關電源的開關的設備和方法。根據本發明的方面，一種方法包括控制開關電源的開關，以在開關操作循環內接通和切斷。該開關操作循環具有基本固定周期。通過無開關的時間，將一組連續的開關操作循環與下一組連續的開關操作循環分離。每一組連續的開關操作循環具有兩個或更多開關操作循環的至少預定最小值。在閉環內調節無開關的時間，以調整開關電源的輸出。
文檔編號H02M3/28GK101183829SQ20071019293
公開日2008年5月21日 申請日期2007年9月30日 優先權日2006年10月4日
發明者A·B·奧德爾, B·巴爾克裡什南 申請人:電力集成公司