功率變換器中的噪聲降低的製作方法
2023-09-19 07:11:05 2
專利名稱：功率變換器中的噪聲降低的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於降低可聽噪聲的控制設備，一種包括這樣的控制設備的功率變換器，以及一種控制功率變換器的方法，例如用於TV、VCR、印表機、計算機等的準共振開關模式功率變換器。
背景技術：
在許多開關模式功率變換器中，最低頻率並沒有限制在20千赫茲以下，例如，像在準共振變換器中那樣。這就是說，變換器可能產生可聽見的噪聲，這是不可接受的，並且可由人的耳朵感覺到。在某些變換器中，像在回掃變換器中，當變換器短路、啟動、或斷開時，就可能發生這種情況。當以高功率電平驅動準共振功率變換器時，用於切換變換器的頻率越來越低。當通過開關的電流變高時切換頻率進一步降低，所說的開關通常是用某種類型的電晶體電路實現的，像FET電晶體。因此，對於現在的變換器來說，存在一個問題。
US-6011361描述了一種補償式變換器(buck converter)，用於點火和操作高壓放電燈。這裡，可以對切換變換器的電晶體的最大斷開時間進行設置以便避免低於20千赫茲的操作。在該專利文獻中，沒有對頻率進行監視或直接限制，只設置了斷開時間限制。不管切換頻率高、低，一直都要設置這些限制。斷開時間的上限為36微秒，下限為5微秒。對於可聽噪聲而言，如果達到斷開時間的時間限制，這個開關就要接通。如果要這種裝置能在降低噪聲的情況下工作，負載和輸入電壓都必須已知。由於安排的電路用於驅動燈，燈的負載是已知的，所以在這個環境下的燈工作狀態良好。但是對於降低噪聲的電源，這種燈的工作狀態不好，因為一個電源必須能夠配幾種不同類型的負載，並且只在實際的頻率很低時以及變換器不是在正常工作時，才對開關周期進行限制。這篇文獻沒有描述不連續導通模式下對於電晶體中峰值電流的限制。
發明內容
本發明涉及在功率變換器中降低可聽噪聲的問題，可聽噪聲例如可能發生在變換器啟動、短路、功率過大時，或者發生在斷開變換器的時候。本發明由獨立權利要求限定。從屬權利要求確定了優選實施例。
通過控制功率變換器的方法來解決所述的問題，功率變換器包括至少一個開關，監視第一開關的切換頻率並且對於第一開關進行控制，以使這個頻率保持在大於產生可聽噪聲的某一水平。
至於本發明的優選實施例，可以實現一種變換器，這個變換器要求在控制設備中有幾個額外的部件，藉此來保持控制設備和變換器的成本很低。從以下的描述可知，本發明的附加優點是明顯的。
圖1是按照本發明的優選實施例的回掃變換器的示意圖；圖2表示按照本發明的優選實施例的回掃變換器的控制器；圖3是表示在圖1的變換器的操作的幾個周期期間的各個電流和電壓的曲線圖；圖4是表示在圖1的變換器的操作的另外幾個周期期間的各個電流和電壓的曲線圖；圖5表示按照本發明的另一個實施例的回掃變換器的示意圖。
具體實施例方式
下面參照用於DC/DC變換的回掃變換器描述本發明。然而，本發明決不只是限於這樣的變換器或者只是限於DC/DC變換，本發明可以用任何類型的變換器實現。例如像補償式、升壓式、或者補償-升壓式。所說的變換可以是類似的其它類型的變換，如AC/DC、DC/AC、或AC/AC。
圖1表示作為一個電源工作的按照本發明的一個回掃變換器10。所示的變換器是使用電流模式控制的變換器。在這個變換器中，輸入電壓源12的電壓為Vin，輸入電壓源12連接在地和以變壓器14形式的功率變換裝置的初級繞組16的第一端之間。初級繞組16的第二端連接到第一電晶體或第一開關26的漏極，該電晶體最好是FET電晶體。第一電晶體26的柵極連接到控制裝置或控制器28的驅動器輸出40。電晶體26的源極連接到檢測電阻器44，檢測電阻器44又連接到地。在電晶體26的源極和檢測電阻器44之間的連接點經過包括電阻器46和電容器48的並聯電路連接到控制器28的檢測輸入端43。控制器28有一個接地端42，該接地端42連接到地，用於使構成控制器的不同電路接地。控制器28包括加電復位電路(power-on-resetcircuit)34和振蕩器36，二者都連接到PWM控制器或門控驅動電路32。門控驅動電路32還連接到控制輸入端38和檢測輸入端43。門控驅動電路32還連接到RS觸發器30的復位輸入端R和RS觸發器30的置位輸入端S。RS觸發器有輸出端Q，該輸出端Q連接到電晶體26的柵極。控制器28還有一個計時器45，計時器45連接在驅動器輸出40和門控驅動電路32之間。
變壓器14的次級繞組18的第一端連接到二極體20，二極體20又連接到第一電容器22和負載24。負載24、第一電容器22、和變壓器14的次級繞組18還連接到地，最好是經過電流隔離(galvanicisolation)接地。二極體20、電容器22和負載24之間的連接點還連接到控制器28的控制輸入端38。連接點最好經過光耦合器連接到控制輸入端38。
圖2表示按照本發明的優選實施例的控制器28的各個部分的電路圖。控制器28的檢測輸入端43連接到比較裝置的第一輸入端，所說的比較裝置為第一比較器52的形式，第一比較器設置在門控驅動電路32中。電流源56經過第二開關54連接到比較器52的所說第一輸入端。比較器52的第二輸入端連接到電壓源50。與電晶體26相連以形成第一開關的第一比較器52的輸出還連接到D觸發器58的時鐘輸入端dk。第二比較器57的輸出連接到D觸發器58的D輸入端。第二比較器57具有正輸入端和負輸入端，正輸入端接收來自上述的計時器的信號，負輸入端連接到基準電壓Vref。第二開關54由門控驅動電路32控制，後面將在本說明書中描述所說的控制的方式。還應該認識到，第二開關、電流源、電壓源、D觸發器、和第二比較器也都設置在門控驅動電路中。
圖3表示的是圖1和圖2的回掃變換器的不同電壓和電流。在圖3的上部，表示電晶體26的漏極電壓Ud隨時間以及輸入電壓Vi的變化。這個電壓的下面表示的是由門控驅動電路32為電晶體26的切換向電晶體26的柵極產生的驅動電壓脈衝V40。在驅動脈衝下面表示的是流過電晶體26的電流I26，在流過電晶體的電流的下面表示的是變換器的輸出電流I18。在變換器的輸出電流I18的下面表示的是從計時器45向第二比較器57提供的電壓V45以及基準電壓電平Vref。在從計時器45提供的電壓V45的下面表示的是從第二比較器57的輸出電壓V57，在個電壓V57的下面是從由D觸發器向第二開關54提供的另一個電壓S54。圖4表示與圖3相同類型的電流和電壓，但是負載較大，即較大的輸出電流，並且這時的頻率變得很低以致於要產生可聽噪聲。
在正常操作下，即，當頻率大於產生可聽噪聲的水平時，變換器按照已知的方式向負載提供輸出電壓。還要通過調節通過開關26的峰值電流並且檢測電晶體26的漏極的電壓變為最小或變為0的時間來使用電流控制按照已知方式對於第一開關26進行控制。按照另一種方式，可以檢測是否有變壓器14的初級繞組16兩端電壓的零交叉並且增加一個延遲，這種操作模式稱之為臨界不連續電源或自動振蕩電源(SOPS)模式。通過變換器的輸出電壓設置要進行切換的峰值電流。從圖3和圖4可以看出，功率電平越高，即，當變換器傳遞更多的電流的時候，頻率變得越來越低。進而，當電晶體26的導通時間越長，峰值電流變得越來越大，這種情況也降低了頻率。第二階段(stroke)時間，即，電流流過輸出級的時間，取決於輸入電壓V18。當輸入電壓下降時，第二階段時間增加，所以頻率下降。在正常操作中，變換器在高於20千赫茲的頻率範圍內工作。然而，當存在大的負載的時候，例如當變換器在短路、啟動、功率過高時，或者當斷開變換器時，可能會產生可聽噪聲，這是絕對不期望的。下面，將更加詳細地描述減小這些低頻的方法。在「Philips的半導體」一文的數據頁「TEA1507」中，描述了一種典型的控制器，在這裡參照引用了這篇文章。
如早些時候提到的，變換器的輸出電壓V18是通過使用控制器28控制初級繞組16中電流的導通時間進行控制的。這個電流是通過測量檢測電阻器44上的電壓確定的。這個電壓加到門控驅動電路32上，門控驅動電路32響應檢測的電流來調節電晶體26(通常為場效應電晶體，如BJT或MOSFET)的導通時間。在優選實施例中，這是通過比較檢測電阻器兩端電壓與第一比較器52中的電壓源50的電壓進行的，結果產生高的電壓電平。然而這個高的電壓電平使第一開關26導通。當電晶體26截止時，在變壓器14中的磁場破滅(collapse)，存儲在磁場中的能量轉換成次級電路中的電流，這個電流給第一電容器22充電。在初級繞組階段(stroke)漏-源極電壓Ud約為0，在次級繞組階段(stroke)Ud＝Vi+nV18，這裡n是初級繞組16和次級繞組18之間的比例。
在控制器28的正常操作期間，當漏極兩端電壓接近為0的時候，第一開關26導通。這個電壓可通過經變壓器的初級繞組的中點的檢測終端的檢測電壓來提供。這個電壓還可以通過具有額外的檢測繞組的變壓器來提供，控制器檢測或者通過某個其它合適的裝置來檢測這個檢測繞組。按照在本領域中公知的自動振蕩模式控制或臨界不連續模式控制，對於開關26進行控制。電壓源的電壓不必固定，而是可以根據在控制器28的控制輸出端接收的測量的輸入電壓有所變化。所有這些都是變換器的標準電流控制。
如果時間太長，即，頻率達到設定的水平，如產生可聽噪聲的20千赫茲，計時器45向門控驅動電路32發送一個信號，以便調節第一開關26。門控驅動電路32然後控制第一開關26，使這個頻率再次增加。
如早些時候描述的，控制單元28的計時器45監視第一開關26的頻率。為此，它要計數從開關26最後一次導通開始的時間。如果這個時間達到了對應於選定頻率(在優選實施例中為20千赫茲)的設定時間限制，即用於產生可聽噪聲的時間限制(即這個時間是50微秒)，則要向門控驅動電路給出一個指示。為此要通過計時器45向第二比較器57提供一個隨時間不斷增加的電壓。如果這個電壓大於基準電壓Vref，第二比較器57就向D觸發器58提供高電壓電平。這裡將基準電壓設置成當達到對應於設定頻率的周期的時間時通過來自計時器的電壓可達到的電壓電平Vref。然後，D觸發器58在下一次得到時鐘脈衝時將它的輸出端Q設置成高電壓電平。然後，在與第一開關26導通的同時，門控驅動電路閉合第二開關54。這通過以下的事實完成正在驅動第一開關26的第一比較器52的輸出也用作D觸發器58的時鐘信號，D觸發器58隨後時鐘輸出導通第二開關的高電壓電平。這使電流源56開始加載電容器48。在這樣作時，電容器4 3兩端的電壓就加到檢測電阻器44兩端的電壓上，這導致比較器52以較低的電流水平切斷第一開關26。在這樣作時，第一開關26的頻率得以提高。當第一開關26截止時，第二開關54保持導通。一旦第一開關26導通，計時器45馬上復位，並且再次開始計數。如果低頻問題佔據主導地位，計時器將產生另一個指示，它將保持第二開關54導通。然而，如果頻率達到高於所說的設定水平，計時器45的輸出將不會達到電壓電平Vref，並且第二比較器57將產生將要提供給D觸發器58的一個低電壓。下一次D觸發器58通過導通第一開關26得到時鐘脈衝時，D觸發器的Q輸出端變低，使第二開關54截止。電阻器46用於給電容器48卸載。
利用優選實施例，明顯降低了產生噪聲的頻率。描述的例子是針對電流控制的。所述的優選實施例是成本有效的方法。電阻器46和電容器48已經存在在許多系統中，用於變換器的軟啟動。這就意味著，由於不需要額外的元部件，所以本發明是廉價的。為了減小成本，重要的是要保持在變換器中的元部件的數目最少，這也是眾所周知的事實。由於電阻器46和電容器48都不在控制器裡，因此對它們的選擇是隨心所欲的，從而使本發明的可操作性良好。這在確定峰值電流限制的速度時可有很大的靈活性。已經對這個優選實施例進行了測試，得到了良好的效果。
本發明還可能使用電壓控制來實施。在圖5中表示的是電壓控制的變換器。圖5有許多地方與圖1類似。其差別在於，在圖5的變換器中，控制器沒有檢測輸入端43，並且沒有檢測電阻器44或並聯電路46、48。其餘部分相同，在這裡不作進一步的描述。在這種情況下，第一開關26的導通時間通過直接PWM控制進行限制。這裡，導通時間由輸入電壓控制。在這裡，提高相對於基準電壓的電壓也能提供導通時間限制。低頻率的指示在這裡也是使用連接到計時器的比較器提供的。然而，在許多情況下，電流控制優於電壓控制，這是因為前者的控制更加直接和更加快速的緣故。
儘管上述按照本發明控制第一開關的導通時間，但還有一種情況存在，即，頻率低於20千赫茲。第一開關26具有最小的導通時間，即最小的可能導通的時間。如果由門控驅動電路32設定的導通時間限制小於這個最小的導通時間，則第一開關26不可能低於這個限制。在這種情況下，頻率可能低於這個設定的限值。然而，在這種情況下，不可能聽見噪聲，因為這時的系統中的峰值電流也是低的。
本發明還有一個可替換實施例，即，一旦接收到指示，第一開關26直接導通。門控驅動電路32一旦從計時器接收到指示，門控驅動電路立即導通第一開關26。按照優選實施例的教導，這可能由合適的邏輯電路來實施。然後，變換器進入連續導通模式，這就直接地限制了頻率。然而，這個實施例還存在一個問題，即，在輸出側的二極體20可能過熱。
為了解決這個問題，本發明的第二實施例可以與上述的實施例之一組合，即，當頻率變為設定頻率或低於設定頻率同時開關的導通時間也是由電流控制或電壓控制限制時，第一開關26自動接通。這樣就減小了二極體20的溫度。
最後，描述按照本發明控制變換器的方法。在所述的方法中，描述通過電流控制來限制第一開關26的導通時間的方法，其中首先調節第一開關26，然後再調節第二開關54。這個方法進一步地可按照硬體形式來實施。
當變換器導通時，控制第一開關的方法開始。在此之後，這個開關導通。然後，在所加的電壓(即在電容器48和檢測電阻器44上的電壓)和V50之間進行比較。如果所加的電壓大於電壓V50，第一開關截止。否則，再次進行比較。應當說明的是，如果沒有低頻率，電容器48的電壓是0，比較只在檢測電阻器44兩端電壓和V50之間進行，這是正常的操作模式。在此之後，檢查是否存在導通第一開關26的信號。在優選實施例中，這是由以下的事實指示的變壓器的初級繞組兩端的電壓發生零交叉。如果不存在這樣的指示，進行新的檢測(investigation)。然而，如果存在這樣的指示，開關26再次導通，只要變換器導通，該方法就如以上所述地繼續進行。
控制第二開關54的方法類似地當變換器導通時開始。然後，檢查是否存在用於導通第一開關26的門控驅動信號的上升沿。如果存在這樣的信號，計時器45通過檢查頻率開始進行操作；如果不存在這樣的信號，該方法等待新的上升沿。在此之後，該方法繼續檢查第一開關26的頻率。如果頻率保持在大於某個設定水平或者不低於某個設定水平，第二開關54在先前是導通的條件下現在變為斷開，並且再次檢查是否存在門控驅動信號的上升沿。然而，如果頻率低於這個水平，在優選實施例中的這個水平是20千赫茲，結果產生一個指示。然後，第二開關54在還沒有導通的條件下變為導通。通過導通第二開關54，電容器48加載，電容器48的電壓增加到檢測電阻器44兩端的電壓，用於調節第一開關26的比較步驟。在此之後，恢復門控驅動信號的上升沿的檢查。然後，該方法如以上所述繼續進行。
如果本發明與進入連續導通模式和在指示之後導通第一開關的過程結合起來，就可以為導通第二開關54的步驟產生導通第一開關26的信號。如果本發明只用於使變換器進入連續導通模式，則可省去使第二開關54截止和導通的步驟，在調節第一開關26的比較步驟中不增加任何電壓，即只比較檢測電阻器兩端電壓與V50。
這種方法的優選實施例可總結如下。在功率變換器控制至少一個第一開關的方法包括如下步驟監視第一開關的切換頻率，和對於第一開關進行控制，以使這個頻率保持在大於產生可聽噪聲的某個水平。優選地，這樣一種方法還包括下一個步驟指示所說的頻率落入所說的水平的時間。優選地，所說的控制步驟還包括如下步驟在指示之後自動導通第一開關。優選地，所說的控制步驟還包括如下步驟限制第一開關的導通時間。優選地，導通時間通過直接PWM控制進行限制。優選地，導通時間通過限制流過第一開關的峰值電流進行限制。優選地，所說的控制步驟還包括如下步驟將一個電壓增加到檢測電阻器的電壓上，使得通過第一開關的電流也流過的檢測電阻器，並且比較增加的電壓與一個基準電壓，以便切斷第一開關。優選地，增加電壓是通過給電容器加載一個來自電流源的電流實現的。優選地，電流的加載是在所說指示時開始的。
因此，利用本發明，降低了來自變換器的可聽噪聲。當存在意外的操作環境時，如過功率、短路、啟動、或斷開變換器時，本發明都能正常地工作。已經介紹了在功率變換器中降低可聽噪聲的一種簡單、廉價、和有效的方式。應當說明的是，上述的實施例說明了本發明，而不是限制本發明，在不偏離所附的權利要求書的範圍的情況下，本領域的普通技術人員能夠設計出許多可替換的實施例。在權利要求書中，在括號中的任何標號都不被認為是權利要求的限制。術語「包括」並不排除在權利要求中列出的元件或步驟以外的元件或步驟的存在。在元件之前的詞「一個」並不排除存在多個這樣的元件。本發明可以藉助於包括幾個不同的元件的硬體來實現，並且可藉助於經過適當編程的處理器來實現。在列舉幾個裝置的設備權利要求中，幾個這樣的裝置可以用一個和相同類的硬體來實現。在相互不同的從屬權利要求中列出了某些措施的事實並不表明不能利用這些措施的組合來獲得好處。
權利要求
1.一種控制設備(28、28｀)，用於切換功率變換器(10)以減小可聽噪聲，功率變換器包括至少一個用於調節功率變換的開關(26)，控制設備包括監視裝置(45)，用於監視開關(26)的切換頻率，以指示切換頻率下降到某個水平的時間；和調節裝置(32)，用於根據監視裝置(45)的監視結果調節開關(26)的切換，從而使所說的頻率高於所說的某個水平以減小可聽噪聲的產生。
2.根據權利要求1所述的控制設備，其中設置調節裝置(32)，使調節裝置(32)在從監視裝置(45)接收到一個指示時能直接導通所說的開關(26)。
3.根據權利要求1所述的控制設備，其中設置調節裝置(32)，使調節裝置(32)在從監視裝置(45)接收到一個指示時能限制開關(26)的導通時間。
4.根據權利要求3所述的控制設備，其中設置調節裝置(32)，使調節裝置(32)通過直接PWM控制來限制開關(26)的導通時間。
5.根據權利要求3所述的控制設備，其中設置調節裝置(32)，使調節裝置(32)通過限制流過開關(26)的峰值電流來限制開關(26)的導通時間。
6.根據權利要求5所述的控制設備，進一步還包括一個第二開關(54)和比較裝置(52)，比較裝置將與流過開關(26)的電流對應的電壓與使開關(26)導通和截止的基準電壓進行比較，其中設置調節裝置(32)，使調節裝置(32)在從監視裝置(45)接收到一個指示時接通第二開關(54)，用於為對應於流過開關(26)的電流的電壓增加一個電壓，從而可以限制流過開關(26)的峰值電流。
7.根據權利要求6所述的控制設備，進一步還包括一個電流源(56)，電流源(56)連接到第二開關(54)，第二開關(54)可以連接到電容器(48)，電容器可以連接到比較裝置(52)和連接到開關(26)的源極，用於檢測流過開關(26)的電流的檢測電阻器(44)連接到開關(26)的源極，其中增加的電壓由電容器(48)兩端的電壓和檢測電阻器(44)兩端的電壓構成。
8.根據權利要求6所述的控制設備，其中設置調節裝置(32)，使其在監視裝置(45)還沒有產生下次接通開關(26)的指示的條件下切斷第二開關(54)。
9.一種開關式功率變換器，包括功率變換裝置(14)；至少一個開關(26)，用於調節功率變換裝置(14)；監視裝置(45)，用於監視開關(26)的切換頻率，以指示切換頻率下降到某個水平的時間；和調節裝置(32)，用於根據監視裝置(45)的監視結果調節開關(26)的切換，從而使所說的頻率高於所說的某個水平以減小在該變換器中可聽噪聲的產生。
10.在功率變換器中控制至少一個開關(26)的方法，該方法包括如下步驟監視(45)開關(26)的切換頻率；控制(32)開關(26)以使切換頻率保持高於產生可聽噪聲的某個水平。
全文摘要
本發明涉及一種用於開關式功率變換器(10)的控制設備(28)、開關式功率變換器、和控制功率變換器中的開關以減小可聽噪聲的方法。功率變換器包括控制設備(28)和至少一個開關(26)，用於調節功率變換。控制設備(28)包括計時器(45)，用於監視開關(26)的切換頻率以指示頻率下降到某個水平的時間；門控驅動電路(32)，它連接到計時器並且安排成可根據來自計時器的指示調節開關的切換，從而可將頻率升高到所說的某個水平之上以減小可聽噪聲的產生。
文檔編號H02M3/28GK1633743SQ03803836
公開日2005年6月29日 申請日期2003年1月27日 優先權日2002年2月14日
發明者W·H·M·蘭格斯拉格, J·W·斯特裡克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司