CN100525035C - 具有跳频特性的切换式控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种具有跳频特性的切换式控制装置，可用以降低电源供应器的电磁干扰。本发明包括一模块产生器，一振荡器，一可程序电容与该振荡器相连接，一衰减器连接到电压反馈回路，一可程序电阻与该衰减器相连接。本发明依据数字模块码的改变来调变切换频率而产生跳频特性，并依据数字模块码的输出来程序化衰减器的衰减比率。当切换频率增加时，衰减比率也随之增加。减少切换讯号的脉波宽度可用来补偿切换周期的降低，并且使得电源供应器的输出功率与输出电压维持固定值。

Description

具有跳频特性的切换式控制装置

技术领域

本发明涉及一种具有跳频特性的切换式控制装置，特别涉及一种切换模式电源供应器的切换式控制装置。

背景技术

电源供应器已经广泛地使用在将未稳定调整的电源输入转换成可稳定调整的电压或电流。图1显示一已知的电源供应器。一切换式控制装置10，产生一切换讯号VPWM控制功率晶体管20，用以切换一变压器11。该切换式控制装置10依据一反馈讯号VFB来调变该切换讯号VPWM的脉波宽度。该反馈讯号VFB的取得源自于一光耦合器(optical-coupler)85。一运算放大器(operational amplifier)80与一参考电压(reference voltage)V_REF组成一误差放大器(error amplifier)，用来驱动该光耦合器85。电阻72、73与该误差放大器形成一电压反馈回路，用来稳定调整电源供应器的输出电压V_o。该变压器11的一次侧切换电流I_P透过一感测电阻30转换成一切换电流讯号V_s。该切换电流讯号V_s用来供给该切换式控制装置10，作为该切换讯号V_PWM的脉波宽度调变。该切换讯号V_PWM的工作周期(duty cycle)决定功率传递的路径，该功率传递的路径是由电源输入侧到电源供应器的输出端。

虽然高频切换技术的进步已经降低了电源供应器的大小与体积，但是作为切换开关的功率晶体却产生了电磁干扰进而影响到电源输入侧的电源品质。一电磁干扰滤波器(EMI filter)15放置于电源供应器的输入端用来降低电磁干扰。然而，该电磁干扰滤波器15却产生了功率损耗(power consumption)与增加电源供应器的成本与体积。近年来的发展过程中，许多先前的技术已经陆续发表，例如2002年IEEE第十七届应用电力电子会议(Applied Power Electronics Conference andExposition，APEC)由M.Rahkala、T.Suntio与K.Kalliomaki三位提出利用调频(frequency modulation)或是跳频的方法来降低电磁干扰的问题。然而，先前技术的缺点在于频率调变时，在电源供应器的输出端会产生不想要的涟波讯号(ripple signal)。藉由频率调变的方式产生该涟波讯号，可以由以下的描述得知。电源供应器的输出功率为其输出电压V_o与输出电流I_o的乘积，已知：

P_o＝V_o×I_o＝η×P_IN-----------------------------------------(1)

变压器11的输入功率P_IN与一次侧切换电流I_P可以分别表示为：

$P_{\mathrm{IN}}=\frac{1}{2\×T}\×L_P\×I_P^2\×\mathrm{\η}$

$I_P=\frac{V_{\mathrm{IN}}}{L_P}\×T_{\mathrm{ON}}$

其中η为变压器11的效率；V_IN为变压器11的输入电压；L_P为变压器11一次侧的电感值；T为切换讯号V_PWM的切换周期；T_ON为切换讯号V_PWM的导通时间(on-time)。方程式(1)可以写成：

$P_O=\mathrm{\η}\×\frac{V_{\mathrm{IN}}^2\×T_{\mathrm{ON}}^2}{2\×L_P\×T}--------------------\left(2\right)$

切换周期T依据频率调变而产生变化。如方程式(2)所示，当切换周期T变化时，输出功率P_o将随着的改变。因此，当输出功率P_o变化时，一个不想要的涟波讯号将产生出来。

发明内容

本发明的主要目的提供一种切换式控制装置，该切换式控制装置的切换频率具有跳频的特性，使得该切换频率的频谱(spectrum)得以延长，可用来降低电源供应器的电磁干扰。本发明所揭示的切换式控制装置将不会在电源供应器的输出端产生不想要的涟波讯号。

根据本发明所揭示的切换式控制装置具有跳频特性而应用于电源供应器，包含一时脉产生器(clock generator)用来产生一时脉讯号。一模块产生器连接于该时脉产生器，接收该时脉讯号而输出一数字模块码，该模块产生器包括一定时器与一只读存储器，该定时器依据该时脉讯号以产生一二位码，该只读存储器依据该二位码输出该数字模块码；一脉宽调变器连接于一功率开关的一控制端，输出一切换讯号到该控制端，用以控制该功率开关的切换动作，该脉宽调变器包含一比较器、一D型正反器与一AND与门，该比较器是用来重置D型正反器。一振荡器连接于该脉宽调变器，输出一振荡讯号到该脉宽调变器，可用来决定该切换讯号的一切换频率，其中该切换讯号用来稳定调整电源供应器的输出，并且该切换讯号与时脉讯号为同步。一可程序电容连接于该模块产生器与该振荡器，接收该数字模块码来调变该振荡器输出的该切换频率，以产生跳频特性。

一衰减器连接到该电源供应器中的一电压反馈回路，接收一反馈讯号并进行衰减该反馈讯号。该反馈讯号用来控制该切换讯号的脉波宽度，并且用来控制电源供应器的输出功率。一可程序电阻连接于该衰减器、该模块产生器及该脉宽调变器，接收该数字模块码，并依据该数字模块码进行程序化该衰减器的衰减比率，用以输出一反馈电压到该脉宽调变器。当该切换频率增加时，衰减比率也随之增加。减少该切换讯号的脉波宽度可用来补偿切换周期的降低，并且使得电源供应器的输出功率与输出电压维持固定值。

要注意的是，以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明的申请专利范围。而有关本发明的其它目的与优点，将在后续的说明与附图中加以阐述。

附图说明

图1显示已知的电源供应器具有一电磁干扰滤波器；

图2显示具有跳频特性的切换式控制装置的实施例；

图3显示根据本发明的实施例的振荡器；

图4显示根据本发明的实施例的模块产生器；

图5显示根据本发明的另一实施例的模块产生器；

图6显示根据本发明的实施例的脉宽调变器。

图中符号说明：

10    切换式控制器              11    变压器

15    电磁干扰滤波器            17    直流稳压电容

20    功率晶体管                30    电流感测电阻

71    光耦合器电阻              72    分压电阻

73    分压电阻                  74    补偿电阻

75    补偿电容                  80    运算放大器

85    光耦合器                  100   可程序电阻

200   振荡器                   210    比较器

220   比较器                   230    与非门逻辑电路

240   与非门逻辑电路           290    可程序电容

300   模块产生器               310    定时器

320   地址只读存储器数据              331暂存器

332   暂存器                   335    暂存器

339   XOR异或门

400   时脉产生器               500    衰减器

600   脉宽调变器               610    比较器

620   D型正反器                630    AND与门

具体实施方式

配合图1，图2显示根据本发明所述的具有跳频特性的切换控制装置的一实施例。一时脉产生器400产生时脉讯号CK。一模块产生器300，连接于该时脉产生器400，接收该时脉讯号CK而输出一数字模块码[M_n··M₁]。一脉宽调变器(PWM control circuit)600连接于一功率开关20的一控制端，输出一切换讯号V_PWM到该控制端，用以控制该功率开关20的切换动作。一振荡器200连接于该脉宽调变器600，输出一振荡讯号PLS到该脉宽调变器600，可用以决定该切换讯号V_PWM的一切换频率，其中该切换讯号V_PWM用来稳定调整电源供应器的输出，并且该切换讯号V_PWM与时脉讯号CK为同步。一可程序化电容290连接到该模块产生器300与该振荡器200，接收该数字模块码[M_n··M₁]用以调变该振荡器输出的该切换频率而产生跳频特性。

一电阻R_A与一电阻R_B组成一衰减器500。该衰减器500的该电阻R_A的第一端点连接到一电压反馈回路，该电阻R_A的第一端点接收一反馈讯号V_FB，并进行衰减该反馈讯号V_FB。该反馈讯号V_FB透过该脉宽调变器600用来控制该切换讯号V_PWM的脉波宽度，因而控制电源供应器的输出功率。该电阻R_A的第二端点连接到该电阻R_B的第一端点。该电阻R_B的第二端点连接到接地端参考准位。一反馈电压V_B在电阻R_B的第一端点上，其电压讯号源自于该衰减器500。一可程序化电阻100连接到该衰减器500、该模块产生器300及该脉宽调变器600，接收该数字模块码[M_n··M₁]，并依据该数字模块码[M_n··M₁]进行程序化该衰减器500的衰减比率，用以输出该反馈电压V_B到该脉宽调变器600。无论切换频率何时增加，衰减比率也随之增加。减少该切换讯号V_PWM的脉波宽度可用来补偿切换周期的降低，并使得电源供应器的输出功率与输出电压维持固定值。

可程序电阻100包含互相并联连接的切换式电阻组(switching-resistor set)，该切换电阻组是由数个衰减电阻R₁，R₂，··，R_n与数个衰减开关S₁，S₂，··S_n所组成。衰减开关S₁与衰减电阻R₁为串联连接，衰减开关S₂与衰减电阻R₂为串联连接，衰减开关S_n与衰减电阻R_n也是串联连接形式。数字模块码[M_n··M₁]控制衰减开关S₁，S₂，··S_n。

可程序电容290包含互相并联连接的切换电容组(switching-capacitor set)，该切换式电容组是由数个振荡电容C₁，C₂，··，C_n与数个振荡开关X₁，X₂，··X_n所组成。振荡开关X₁与振荡电容C₁为串联连接，振荡开关X₂与振荡电容C₂为串联连接，振荡开关X_n与振荡电容C_n也是串联连接形式。数字模块码[M_n··M₁]控制振荡开关X₁，X₂，··X_n。

图3显示根据本发明的实施例的振荡器200。一充电电流源I₁₀产生充电电流I_CHG。一放电电流源I₂₀产生放电电流I_DCHG。一振荡充电开关S₃₁连接于充电电流源I₁₀与振荡电容C之间，一振荡放电开关S₄₁连接于振荡电容C与放电电流源I₂₀之间。一第一比较器210的正端输入提供一临界电压(threshold voltage)V_H。该第一比较器210的负端输入与振荡电容C相连接。

一第二比较器220的负端输入提供一临界电压V_L，该第二比较器220的正向输入端与振荡电容C相连接，而临界电压V_H的电压准位高于临界电压V_L。一第一与非门逻辑电路230的输出端产生一振荡讯号PLS，用来导通或截止该振荡放电开关S₄₁，该第一与非门逻辑电路230的第一输入端由第一比较器210的输出端所驱动。一第二与非门逻辑电路240的两个输入端分别连接到第一与非门逻辑电路230的输出端与第二比较器220的输出端。该第二与非门逻辑电路240的输出端连接到第一与非门逻辑电路230的输入端，并且可以用来导通或截止该振荡充电开关S₃₁。

图4显示根据本发明的实施例的模块产生器300。一定时器(timer)310依据时脉讯号CK的输出来产生一二位码(binary code)[b_n··b₀]。一只读存储器(read-only-memory)320依据该二位码[b_n··b₀]的输出来产生数字模块码[M_n··M₁]。该只读存储器320的地址输入(addressinput)由该定时器310的输出来驱动。

图5显示根据本发明的另一实施例的模块产生器300。数个暂存器331，332··335与一XOR异或门339组成一线性位移暂存器(linearshift register)，并依据时脉讯号CK的输出来产生一个线性码(linearcode)。该XOR异或门339的输入端决定该线性移位暂存器的多项式(polynomials)，并且决定该线性位移暂存器的输出。此外，数字模块码[M_n··M₁]会采用源自于线性码的部分来进行最佳化的应用。

图6显示根据本发明的实施例的脉宽调变器600。脉宽调变器600包含一比较器610、一D型正反器620与一AND与门630。该比较器610是用来重置(reset)D型正反器620。该反馈电压V_B源自于衰减器500而供给比较器610的正端输入。切换电流讯号V_S供给比较器610的负端输入。藉由一供电电压V_CC将D型正反器620的D输入端上拉(pullhigh)到供电电压准位。D型正反器620的时脉输入(clock input)由振荡讯号PLS所供给。AND与门630的第一输入端由振荡讯号PLS所供给。AND与门630的第二输入端连接到D型正反器620的输出端。AND与门630的输出产生切换讯号V_PWM。

综观以上所述，如图3所示，该振荡器200的该振荡电容C的电容值决定该切换讯号V_PWM的切换频率，由以下方程序可以得到：

$f_S=\frac{1}{t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}}}=\frac{1}{C\×\mathrm{\ΔV}}\×\frac{I_{\mathrm{CHG}}{I}_{\mathrm{DCHG}}}{I_{\mathrm{CHG}}+I_{\mathrm{DCHG}}}--------------------\left(3\right)$

其中△V为临界电压V_H与V_L之间的电压差，该切换讯号V_PWM的导通时间与截止时间分别表示为：

$t_{\mathrm{on}}=\frac{C\×\mathrm{\ΔN}}{I_{\mathrm{CHG}}}$

$t_{\mathrm{off}}=\frac{C\×\mathrm{\ΔV}}{I_{\mathrm{DCHG}}}$

如图2所示的该可程序化电容290接收该数字模块码[M_n··M₁]的控制，该数字模块码[M_n··M₁]控制该些振荡开关X₁，X₂，··X_n使得该些振荡电容C₁，C₂，··，C_n与该振荡器200的该振荡电容C并联，用以调变该振荡器200输出的该切换频率而产生跳频特性。

本发明的主要目的提供一种切换式控制装置，该切换式控制装置的切换频率具有跳频的特性，使得该切换频率的频谱得以延长，可用来降低电源供应器的电磁干扰。本发明所揭示的切换式控制装置将不会在电源供应器的输出端产生不想要的涟波讯号。

熟悉此技艺者当可在不悖离本发明的精神与范畴的下，针对本发明的结构进行各种修正与改变。由前述观的，各种修正与改变只要合乎以下的申请专利范围及其等效解释，皆可视为本发明的一部分。

Claims (12)

1.一种具有跳频特性的切换式控制装置，于一电源供应器中用来控制一功率开关的切换动作，其特征是，包括有：

一时脉产生器，用以输出一时脉讯号；

一模块产生器，连接于该时脉产生器，接收该时脉讯号用以输出一数字模块码，该模块产生器包括一定时器与一只读存储器，该定时器依据该时脉讯号以产生一二位码，该只读存储器依据该二位码输出该数字模块码；

一脉宽调变器，连接于该功率开关的一控制端，输出一切换讯号到该控制端用以控制该功率开关的切换动作，该脉宽调变器包含一比较器、一D型正反器与一AND与门，该比较器是用来重置D型正反器；

一振荡器，连接于该脉宽调变器，输出一振荡讯号到该脉宽调变器用以决定该切换讯号的一切换频率，该切换讯号与该时脉讯号为同步；

一可程序电容，连接到该模块产生器与该振荡器，接收该数字模块码的控制，用以调变该振荡器输出的该振荡讯号，使得该脉宽调变器产生跳频特性；

一衰减器，连接到该电源供应器中的一电压反馈回路，接收一反馈讯号并进行衰减该反馈讯号；及

一可程序电阻，连接到该衰减器、该模块产生器与该脉宽调变器，接收该数字模块码的控制，以进行程序化该衰减器的衰减比率，用以输出一反馈电压到该脉宽调变器。

2.如权利要求1所述的具有跳频特性的切换式控制装置，其特征是，该反馈讯号用来控制该切换讯号的脉波宽度。

3.如权利要求1所述的具有跳频特性的切换式控制装置，其特征是，该可程序电容由至少一切换式电容组互相并联连接所组成，该切换式电容组由一振荡开关与一振荡电容串联连接所组成，并该振荡开关的导通或截止由该数字模块码所控制。

4.如权利要求1所述的具有跳频特性的切换式控制装置，其特征是，该可程序电阻由至少一切换式电阻组互相并联连接所组成，该切换式电阻组由一衰减开关与一衰减电阻串联连接所组成，并该衰减开关的导通或截止由该数字模块码所控制。

5.一种具有跳频特性的切换式控制装置，于一电源供应器中用来控制一功率开关的切换动作，其特征是，包括有：

一时脉产生器，用以输出一时脉讯号；

一模块产生器，连接于该时脉产生器，接收该时脉讯号用以输出一数字模块码，该模块产生器包括一定时器与一只读存储器，该定时器依据该时脉讯号以产生一二位码，该只读存储器依据该二位码输出该数字模块码；

一脉宽调变器，连接于该功率开关的一控制端，输出一切换讯号到该控制端用以控制该功率开关的切换动作，该脉宽调变器包含一比较器、一D型正反器与一AND与门，该比较器是用来重置D型正反器；

一振荡器，连接于该脉宽调变器，输出一振荡讯号到该脉宽调变器用以决定该切换讯号的一切换频率，并该切换讯号与该时脉讯号为同步；及

一可程序电容，连接到该模块产生器与该振荡器，接收该数字模块码的控制，用以调变该振荡器输出的该振荡讯号，使得该脉宽调变器产生跳频特性。

6.如权利要求5所述的具有跳频特性的切换式控制装置，其特征是，该可程序电容由至少一切换式电容组互相并联连接所组成，该切换式电容组由一振荡开关与一振荡电容串联连接所组成，并该振荡开关的导通或截止由该数字模块码所控制。

7.一种具有跳频特性的切换式控制装置，于一电源供应器中用来控制一功率开关的切换动作，其特征是，包括有：

一时脉产生器，用以输出一时脉讯号；

一模块产生器，连接于该时脉产生器，接收该时脉讯号用以输出一数字模块码，该模块产生器包括数个暂存器与一XOR异或门，数个暂存器依据时脉讯号以产生一个线性码，该XOR异或门的输入端决定该线性码的多项式，并且决定该模块产生器的输出；

一脉宽调变器，连接于该功率开关的一控制端，输出一切换讯号到该控制端用以控制该功率开关的切换动作，该脉宽调变器包含比较器、D型正反器与AND与门，该比较器是用来重置D型正反器；

一振荡器，连接于该脉宽调变器，输出一振荡讯号到该脉宽调变器用以决定该切换讯号的一切换频率，该切换讯号与该时脉讯号为同步；

一可程序电容，连接到该模块产生器与该振荡器，接收该数字模块码的控制，用以调变该振荡器输出的该振荡讯号，使得该脉宽调变器产生跳频特性；

一衰减器，连接到该电源供应器中的一电压反馈回路，接收一反馈讯号并进行衰减该反馈讯号；及

一可程序电阻，连接到该衰减器、该模块产生器与该脉宽调变器，接收该数字模块码的控制，以进行程序化该衰减器的衰减比率，用以输出一反馈电压到该脉宽调变器。

8.如权利要求7所述的具有跳频特性的切换式控制装置，其特征是，该反馈讯号用来控制该切换讯号的脉波宽度。

9.如权利要求7所述的具有跳频特性的切换式控制装置，其特征是，该可程序电容由至少一切换式电容组互相并联连接所组成，该切换式电容组由一振荡开关与一振荡电容串联连接所组成，并该振荡开关的导通或截止由该数字模块码所控制。

10.如权利要求7所述的具有跳频特性的切换式控制装置，其特征是，该可程序电阻由至少一切换式电阻组互相并联连接所组成，该切换式电阻组由一衰减开关与一衰减电阻串联连接所组成，并该衰减开关的导通或截止由该数字模块码所控制。

11.一种具有跳频特性的切换式控制装置，于一电源供应器中用来控制一功率开关的切换动作，其特征是，包括有：

一时脉产生器，用以输出一时脉讯号；

一模块产生器，连接于该时脉产生器，接收该时脉讯号用以输出一数字模块码，该模块产生器包括数个暂存器与一XOR异或门，数个暂存器依据时脉讯号以产生一个线性码，该XOR异或门的输入端决定该线性码的多项式，并且决定该模块产生器的输出；

一脉宽调变器，连接于该功率开关的一控制端，输出一切换讯号到该控制端用以控制该功率开关的切换动作，该脉宽调变器包含一比较器、一D型正反器与一AND与门，该比较器是用来重置D型正反器；

一振荡器，连接于该脉宽调变器，输出一振荡讯号到该脉宽调变器用以决定该切换讯号的一切换频率，并该切换讯号与该时脉讯号为同步；及

一可程序电容，连接到该模块产生器与该振荡器，接收该数字模块码的控制，用以调变该振荡器输出的该振荡讯号，使得该脉宽调变器产生跳频特性。

12.如权利要求11所述的具有跳频特性的切换式控制装置，其特征是，该可程序电容由至少一切换式电容组互相并联连接所组成，该切换式电容组由一振荡开关与一振荡电容串联连接所组成，并该振荡开关的导通或截止由该数字模块码所控制。

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