CN110504940B - 低通滤波电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低通滤波电路及方法，包括：对低通滤波电路的输出信号进行采样的第一开关；第一输入端连接第一开关输出的上次滤波输出值、第二输入端接收当前采样值，对两者进行加法运算的加法器；对加法器的输出信号进行采样的第二开关；用于采样保持的第一电容及的第二电容；其中，所述第一开关与所述第二开关的控制信号极性相反。将上次滤波输出值反馈至所述加法器的第一输入端，将当前采样值输入所述加法器的第二输入端，通过所述加法器进行加法运算后输出当前滤波输出值。本发明无需外部电容、数字电路、单片机即可实现低频滤波功能，便于集成，成本低。

Description

低通滤波电路及方法
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种低通滤波电路及方法。
背景技术
低通滤波(Low-pass filter)是一种过滤方式，容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号则被阻隔、减弱。如图1所示，通常低通滤波器可以采用简单的RC电路1来实现，包括电阻R及电容C，电阻的一端作为低通滤波器的输入端Vin、另一端作为低通滤波器的输出端Vout，电容C的一端连接低通滤波器的输出端Vout、另一端接地。在需要滤波的频率比较低时，通常需要大容量的电容C，而在做芯片集成的方案中，这种大容量的电容C是无法集成到芯片中的，需要外置，这就无形中增加了芯片的管脚和生产成本。
为了解决大电容的问题，可通过数字电路或单片机的数字算法来实现无电容的低通滤波。如图2所示为一阶低通数字滤波的方案，其中，α为滤波系数，X(n)为本次采样值，Y(n-1)为上次滤波输出值，Y(n)为本次滤波输出值；本次采样值X(n)乘以滤波系数α后的值与上次滤波输出值Y(n-1)乘以(1-α)后的值相加，以得到本次滤波输出值Y(n)，即满足下式：Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1)。一阶低通滤波法采用本次采样值与上次滤波输出值进行加权，得到有效滤波值，使得输出对输入有反馈作用。滤波器截止频率为
Figure BDA0001665778850000011
其中，t为采样间隔时间。但是，数字电路或单片机方式实现的低频滤波器成本比较高，无法在通常的模拟电路工艺中使用。
因此，在滤波器中如何避免使用大电容、降低成本、适用于模拟电路工艺，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低通滤波电路及方法，用于解决现有技术中大电容无法集成、数字电路或单片机方式实现的低频滤波器成本高，不适于模拟电路等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低通滤波电路，所述低通滤波电路至少包括：
加法器、第一开关、第二开关、第一电容及第二电容；
所述第一开关的输入端连接所述低通滤波电路的输出端、所述第一开关的输出端连接所述第一电容的上极板，用于对所述低通滤波电路的输出信号进行采样；所述第一电容的下极板接地；
所述加法器的第一输入端连接所述第一开关输出的上次滤波输出值、第二输入端接收当前采样值，用于对所述上次滤波输出值及所述当前采样值进行加法运算；
所述第二开关的输入端连接所述加法器的输出端、所述第二开关的输出端作为所述低通滤波电路的输出端，用于对所述加法器的输出信号进行采样；
所述第二电容的上极板连接所述第二开关的输出端、下极板接地；
其中，所述第一开关与所述第二开关的控制信号极性相反。
优选地，所述加法器包括第一电阻、第二电阻及第一跟随器；所述第一电阻的一端作为所述加法器的第一输入端、另一端连接所述第一跟随器的输入端，所述第二电阻的一端作为所述加法器的第二输入端、另一端连接所述第一跟随器的输入端，所述第一跟随器的输出端作为所述加法器的输出端。
优选地，所述低通滤波电路还包括开关控制信号产生模块；所述开关控制信号产生模块包括高频采样单元及反相器，所述高频采样单元用于产生方波信号；所述反相器连接于所述高频采样单元的输出端，用于产生所述高频采样单元输出信号的反信号。
优选地，所述低通滤波电路还包括连接于所述第一开关的输出端与所述加法器的第一输入端之间的第二跟随器，连接于所述当前采样值与所述加法器的第二输入端之间的第三跟随器，以及连接于所述第二开关的输出端与所述低通滤波电路的输出端之间的第四跟随器，各跟随器用于隔离信号。
优选地，所述第一电容与所述第二电容的容值为pF级。
更优选地，所述低通滤波电路还包括输出端连接于所述低通滤波电路输入端的第三开关，以及连接于所述第三开关输出端的第三电容。
更优选地，所述低通滤波电路还包括峰值采样模块，所述峰值采样模块的输出端连接所述第三开关的控制端，用于控制所述第三开关进行采样。
更优选地，所述第三电容的容值为pF级。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种上述低通滤波电路的低通滤波方法，所述低通滤波方法至少包括：
将上次滤波输出值反馈至所述加法器的第一输入端，将当前采样值输入所述加法器的第二输入端，通过所述加法器进行加法运算后输出当前滤波输出值。
优选地，所述当前滤波输出值满足如下关系式：
Vo(n)＝α*Vin(n)+(1-α)*Vo(n-1)，
其中，Vo(n)为当前滤波输出值，α为滤波系数，Vin(n)为当前采样值，Vo(n-1)为上次滤波输出值。
更优选地，通过调整连接于所述加法器的第一输入端的第一电阻及连接于所述加法器的第二输入端的第二电阻的阻值确定滤波系数，满足如下关系式：
Figure BDA0001665778850000031
其中，α为滤波系数，R1为所述第一电阻的阻值，R2为所述第二电阻的阻值。
优选地，接收功率因数校正电路中的开关管峰值电流，基于峰值采样对所述开关管峰值电流进行采样得到所述开关管峰值电流的包络波形，再通过滤波得到直流的反馈回路控制信号，进而去除所述功率因数校正电路中的补偿电容。
如上所述，本发明的低通滤波电路及方法，具有以下有益效果：
1、本发明的低通滤波电路及方法无需外部电容即可实现低频滤波功能，便于集成，成本低。
2、本发明的低通滤波电路及方法无需要数字电路或单片机即可实现数字滤波，成本大大降低。
3、本发明的低通滤波电路及方法配合峰值采样技术可以得到开关管峰值电流包络波形的滤波值，从而节省功率因数校正电路等需要滤除低频纹波的积分补偿电容，进而减少引脚数目，减小成本。
附图说明
图1显示为现有技术中的RC电路示意图。
图2显示为现有技术中的一阶低通数字滤波的原理示意图。
图3显示为本发明的低通滤波电路的一种实施方式示意图。
图4显示为本发明的低通滤波电路的另一种实施方式示意图。
图5显示为本发明的低通滤波电路的又一种实施方式示意图。
图6显示为现有技术中的功率因数校正电路的原理示意图。
图7显示为本发明的低通滤波电路应用于功率因数校正电路的原理示意图。
元件标号说明
1 RC电路
2 低通滤波电路
21 加法器
22 开关控制信号产生模块
221 高频采样单元
222 反相器
23 峰值采样模块
3 功率因数校正电路
31 补偿模块
32 比较模块
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图3～图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图3所示，本实施例提供一种低通滤波电路2，所述低通滤波电路2包括：
加法器21、第一开关S1、第二开关S2、第一电容C1、第二电容C2及开关控制信号产生模块22。
如图3所示，所述第一开关S1的输入端连接所述低通滤波电路2的输出端、所述第一开关S1的输出端连接所述第一电容C1的上极板，用于对所述低通滤波电路的输出信号进行采样。
具体地，所述第一开关S1作为采样开关，采样频率根据采样需要可通过所述第一开关S1的控制信号频率进行设定，在此不一一设定。在本实施例中，所述第一开关S1进行高频采样。
如图3所示，所述第一电容C1的上极板连接所述第一开关S1的输出端，所述第一电容C1的下极板接地。所述第一电容C1作为采样保持电容，用于将经过采样后的所述低通滤波电路2的输出信号保持在所述第一电容C1上。
具体地，所述第一电容C1的容值为pF级，可以集成在芯片中。
如图3所示，所述加法器21的第一输入端连接所述第一开关S1的输出端，所述加法器21的第二输入端接收当前采样值Vin(n)，用于对所述第一开关S1输出的上次滤波输出值Vo(n-1)及所述当前采样值Vin(n)进行加法运算。
具体地，在本实施例中，所述加法器21包括第一电阻R1、第二电阻R2及第一跟随器OP1。所述第一电阻R1的一端作为所述加法器21的第一输入端、另一端连接所述第一跟随器OP1的输入端；所述第二电阻R2的一端作为所述加法器21的第二输入端、另一端连接所述第一跟随器OP1的输入端；所述第一跟随器OP1的输出端作为所述加法器21的输出端。所述第一跟随器OP1用于提高输入阻抗、降低输出阻抗，以确保所述第一跟随器OP1的输入输出信号的隔离。
更具体地，所述第一跟随器OP1采用运算放大器实现，运算放大器的正相输入端作为所述第一跟随器OP1的输入端；运算放大器的反相输入端连接运算放大器的输出端，并作为所述第一跟随器OP1的输出端。
如图3所示，所述第二开关S2的输入端连接所述加法器21的输出端，所述第二开关S2的输出端作为所述低通滤波电路2的输出端，用于对所述加法器21的输出信号进行采样。
具体地，所述第二开关S2作为采样开关，采样频率根据采样需要可通过所述第二开关S2的控制信号频率进行设定，在此不一一设定。在本实施例中，所述第二开关S2进行高频采样。
如图3所示，所述第二电容C2的上极板连接所述第二开关S2的输出端，所述第二电容C2的下极板接地。所述第二电容C2作为采样保持电容，用于将经过采样后的所述加法器21的输出信号保持在所述第二电容C2上。
具体地，所述第二电容C2的容值为pF级，可以集成在芯片中。
如图3所示，所述开关控制信号产生模块22连接于所述第一开关S1及所述第二开关S2的控制端，用于控制所述第一开关S1及所述第二开关S2的导通和关断，进而实现采样。
具体地，所述开关控制信号产生模块22包括高频采样单元221及反相器222，所述高频采样单元221用于产生作为开关控制信号的方波信号；所述反相器222连接于所述高频采样单元221的输出端，用于产生所述高频采样单元221输出信号的反信号。
需要说明的是，在本实施例中，所述高频采样单元221的输出端连接所述第一开关S1的控制端，所述反相器222的输出端连接所述第二开关S2的控制端。在实际应用中，可根据需要设定所述开关控制信号产生模块22的输出信号与所述第一开关S1及所述第二开关S2的连接关系，所述第一开关S1的控制信号与所述第二开关S2的控制信号的极性相反即可，不以本实施例为限。
本实施例的低通滤波电路的工作原理如下：
所述开关控制信号产生模块22控制所述第一开关S1打开，所述第二开关S2关闭，此时，当前滤波输出值Vo(n)被采样后转化为上次滤波输出值Vo(n-1)，并保持在所述第一电容C1上。
上次滤波输出值Vo(n-1)通过所述加法器21的第一输入端进入所述第一加法器21，当前采样值Vin(n)通过所述加法器21的第二输入端进入所述第一加法器21，所述上次滤波输出值Vo(n-1)与所述当前采样值Vin(n)相加后输出。
所述开关控制信号产生模块22控制所述第二开关S2打开，所述第一开关S1关闭，此时，所述上次滤波输出值Vo(n-1)与所述当前采样值Vin(n)相加后得到的新一轮的当前滤波输出值Vo(n)采样后保持在所述第二电容C2上，并作为所述低通滤波电路的输出信号。
所述加法器21中的所述第一跟随器OP1为高阻抗运算放大器，其总输入电流为零，因此存在如下关系式：
Figure BDA0001665778850000061
转化为当前滤波输出值Vo(n)的表达式可得：
Figure BDA0001665778850000062
令
Figure BDA0001665778850000063
则Vo(n)＝α*Vin(n)+(1-α)*Vo(n-1)，即本实施例满足数字滤波公式，可实现数字滤波。
实施例二
如图4所示，本实施例提供一种低通滤波电路2，所述低通滤波电路2与实施例一的不同之处在于，还包括连接于所述第一开关S1的输出端与所述加法器21的第一输入端之间的第二跟随器OP2，连接于所述当前采样值Vin(n)与所述加法器21的第二输入端之间的第三跟随器OP3，以及连接于所述第二开关S2的输出端与所述低通滤波电路2的输出端之间的第四跟随器OP4。所述第二跟随器OP2、所述第三跟随器OP3及所述第四跟随器OP4起隔离作用，可大大提高所述低通滤波电路的稳定性。
具体地，所述上次滤波输出值Vo(n-1)通过所述第二跟随器OP2传输到所述加法器21的第一输入端，可有效提高输入阻抗、降低输出阻抗，确保所述第二跟随器OP2两端输入输出信号的隔离。
具体地，所述当前采样值Vin(n)通过所述第三跟随器OP3传输到所述加法器21的第二输入端，可有效提高输入阻抗、降低输出阻抗，确保所述第三跟随器OP2两端输入输出信号的隔离。
具体地，所述前滤波输出值Vo(n)通过所述第四跟随器OP4传输到所述低通滤波电路2的输出端，可有效提高输入阻抗、降低输出阻抗，确保所述第四跟随器OP4两端输入输出信号的隔离。
在本实施例中，所述第二跟随器OP2、所述第三跟随器OP3及所述第四跟随器OP4的结构与所述第一跟随器OP1相同，在实际应用中，任意可实现电压跟随输出、起到隔离效果的电路结构均适用于本实施例的跟随器，不以本实施例为限。
本实施例的低通滤波电路的工作原理与实施例一相同，在此不一一赘述。
实施例三
如图5所示，本实施例提供一种低通滤波电路，与实施例二的不同之处在于，所述低通滤波电路还包括输出端连接于所述低通滤波电路输入端的第三开关S3以及连接于所述第三开关输出端的第三电容C3。
具体地，所述第三开关S3的输入端根据实际需要接收采样值，输出端连接所述第三跟随器OP3输入端，用于对所述第三开关S3的输入信号进行采样。所述第三开关S3作为采样开关，采样频率根据采样需要可通过所述第三开关S3的控制信号频率进行设定，在此不一一设定。
具体地，所述第三电容C3的上极板连接所述第三开关S3的输出端、下极板接地，作为采样保持电容，用于将采样后的输入信号保持在所述第三电容C3上。所述第三电容C3的容值为pF级，可以集成在芯片中。
如图6所示，以Boost结构为例，现有技术中，所述功率因数校正电路3包括LED负载或主电路、电感L、续流二极管D、输出电容C、开关管M、采样电阻Rcs、补偿模块31、补偿电容Ccomp及比较模块32，所述开关管M的峰值电流需要通过所述补偿电容Ccomp积分处理后得到反馈环路的控制值，以控制所述开关管M导通或关断。所述补偿电容Ccomp是大容值的电容，无法集成到芯片中，因此，需要增加端口COMP外置到芯片外部。如图7所示，本实施实例中，将所述低通滤波电路2应用于功率因数校正电路3中，所述低通滤波电路2的输入端连接于所述开关管M的源端、输出端连接所述补偿模块31，用于得到开关管峰值电流包络波形的滤波值，所述低通滤波电路2输出所述功率因数校正电路的反馈环路控制信号CS_pk_avg，所述反馈环路控制信号CS_pk_avg为直流值，可以作为所述功率因数校正电路3所在芯片能够直接处理的反馈信号，因此可以去掉***外部的补偿电容Ccomp并减少芯片引脚数目，从而降低***的成本。
具体地，所述第三开关S3的输入端接收开关管峰值电流信号CS_pk，所述第三开关S3的控制信号由所述峰值采样模块23产生。
需要说明的是，所述功率因数校正电路3可以是任意能实现功率因数校正的电路，不以本实施例为限，本实施例仅作为示例。
需要说明的是，其他具有滤除低频纹波的积分补偿电容的电路也适用于本发明，不以本实施例所列举的功率因数校正电路为限。
本实施例的低通滤波电路的工作原理如下：
所述开关管峰值电流信号CS_pk输入所述低通滤波电路中，所述峰值采样模块23输出控制信号以驱动所述第三开关S3对所述开关管峰值电流信号CS_pk采样，所述开关管峰值电流信号CS_pk为多个锯齿形脉冲，通过采样获取所述开关管峰值电流信号CS_pk中各个峰值的端点，进而得到开关管峰值电流的包络波形，并保持在所述第三电容C3上。
然后通过所述第二跟随器OP2、所述第三跟随器OP3、所述第四跟随器OP4、所述加法器21、所述第一开关S1、所述第二开关S2、所述第一电容C1、所述第二电容C2及开关控制信号产生模块22进行数字滤波，以得到功率因数校正电路的反馈环路控制信号CS_pk_avg，所述反馈环路控制信号CS_pk_avg为所述开关管峰值电流包络的平均值。低通滤波的方法与实施实例一相同，在此不一一赘述。
本发明的低通滤波电路及方法可以在普通的模拟电路中实现数字滤波的功能，普适性高，且成本低。
综上所述，本发明提供一种低通滤波电路及方法，包括：连接于低通滤波电路输出端与第一电容上极板之间的第一开关，用于对所述低通滤波电路的输出信号进行采样；所述第一电容的下极板接地；第一输入端连接所述第一开关输出的上次滤波输出值、第二输入端接收当前采样值的加法器，用于对所述上次滤波输出值及所述当前采样值进行加法运算；连接于所述加法器的输出端与所述低通滤波电路输出端的第二开关，用于对所述加法器的输出信号进行采样；所述第二电容的上极板连接所述第二开关的输出端、下极板接地；其中，所述第一开关与所述第二开关的控制信号极性相反。将上次滤波输出值反馈至所述加法器的第一输入端，将当前采样值输入所述加法器的第二输入端，通过所述加法器进行加法运算后输出当前滤波输出值。本发明的低通滤波电路及方法无需外部电容、数字电路、单片机即可实现低频滤波功能，便于集成，成本低；配合峰值采样技术可以得到开关管峰值电流包络波形的滤波值，从而节省功率因数校正电路等需要滤除低频纹波的积分补偿电容，进而减少引脚数目，减小成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种低通滤波电路，其特征在于，所述低通滤波电路至少包括：
加法器、第一开关、第二开关、第一电容及第二电容；
所述第一开关的输入端连接所述低通滤波电路的输出端、所述第一开关的输出端连接所述第一电容的上极板，用于对所述低通滤波电路的输出信号进行采样；所述第一电容的下极板接地；
所述加法器的第一输入端连接所述第一开关输出的上次滤波输出值、第二输入端接收当前采样值，用于对所述上次滤波输出值及所述当前采样值进行加法运算；
所述第二开关的输入端连接所述加法器的输出端、所述第二开关的输出端作为所述低通滤波电路的输出端，用于对所述加法器的输出信号进行采样；
所述第二电容的上极板连接所述第二开关的输出端、下极板接地；
其中，所述第一开关与所述第二开关的控制信号极性相反。
2.根据权利要求1所述的低通滤波电路，其特征在于：所述加法器包括第一电阻、第二电阻及第一跟随器；所述第一电阻的一端作为所述加法器的第一输入端、另一端连接所述第一跟随器的输入端，所述第二电阻的一端作为所述加法器的第二输入端、另一端连接所述第一跟随器的输入端，所述第一跟随器的输出端作为所述加法器的输出端。
3.根据权利要求1所述的低通滤波电路，其特征在于：所述低通滤波电路还包括开关控制信号产生模块；所述开关控制信号产生模块包括高频采样单元及反相器，所述高频采样单元用于产生方波信号；所述反相器连接于所述高频采样单元的输出端，用于产生所述高频采样单元输出信号的反信号。
4.根据权利要求1所述的低通滤波电路，其特征在于：所述低通滤波电路还包括连接于所述第一开关的输出端与所述加法器的第一输入端之间的第二跟随器，连接于所述当前采样值与所述加法器的第二输入端之间的第三跟随器，以及连接于所述第二开关的输出端与所述低通滤波电路的输出端之间的第四跟随器，各跟随器用于隔离信号。
5.根据权利要求1所述的低通滤波电路，其特征在于：所述第一电容与所述第二电容的容值为pF级。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的低通滤波电路，其特征在于：所述低通滤波电路还包括第三开关及第三电容；所述第三开关连接于当前采样值与所述低通滤波电路的输入端之间；所述第三电容的一端连接于所述第三开关输出端，另一端接地。
7.根据权利要求6所述的低通滤波电路，其特征在于：所述低通滤波电路还包括峰值采样模块，所述峰值采样模块的输出端连接所述第三开关的控制端，用于控制所述第三开关进行采样。
8.根据权利要求6所述的低通滤波电路，其特征在于：所述第三电容的容值为pF级。
9.一种如权利要求1～8任意一项所述的低通滤波电路的低通滤波方法，其特征在于，所述低通滤波方法至少包括：
将上次滤波输出值反馈至所述加法器的第一输入端，将当前采样值输入所述加法器的第二输入端，通过所述加法器进行加法运算后输出当前滤波输出值。
10.根据权利要求9所述的低通滤波方法，其特征在于：所述当前滤波输出值满足如下关系式：
Vo(n)＝α*Vin(n)+(1-α)*Vo(n-1)，
其中，Vo(n)为当前滤波输出值，α为滤波系数，Vin(n)为当前采样值，Vo(n-1)为上次滤波输出值。
11.根据权利要求10所述的低通滤波方法，其特征在于：通过调整连接于所述加法器的第一输入端的第一电阻及连接于所述加法器的第二输入端的第二电阻的阻值确定滤波系数，满足如下关系式：
Figure FDA0004158877660000021
其中，α为滤波系数，R1为所述第一电阻的阻值，R2为所述第二电阻的阻值。
12.根据权利要求9所述的低通滤波方法，其特征在于：接收功率因数校正电路中的开关管峰值电流，基于峰值采样对所述开关管峰值电流进行采样得到所述开关管峰值电流的包络波形，再通过滤波得到直流的反馈回路控制信号，进而去除所述功率因数校正电路中的补偿电容。
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