CN107408882A - 用于开关模式电源的扩展频谱 - Google Patents

Abstract

开关模式电源可利用开关信号来控制开关模式电源中的一个或多个电源开关。开关模式电源的控制器可以产生和/或控制该开关信号。该控制器可通过改变瞬时开关频率来降低开关模式电源的峰值频谱噪声，其中以恒定转换速率幅度随机地改变正负号来改变瞬时开关频率。瞬时开关频率可以由通过对随机比特流进行积分而产生的信号来控制。该随机比特流可以以亚音频重复。积分器可以是有损耗的，使得输出不会漂移到任意值。频率调制信号可以由低通滤波器滤波。

Description

用于开关模式电源的扩展频谱

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求于2015年3月19日提交的、美国临时专利申请号为62/135,553、名称为“用于开关模式电源的扩展频谱(Spread Spectrum for Switch Mode PowerSupplies)”的美国临时专利申请的优先权，以及于2015年9月29日提交的、美国专利申请号为14/869,114、名称为“用于开关模式电源的扩展频谱(Spread Spectrum for SwitchMode Power Supplies)”的美国专利申请的优先权。这些申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及开关模式电源，并涉及扩展频谱技术。

背景技术

开关模式电源因在其中发生切换而可能在其输出中具有噪声。

一种降低该噪声的影响的方法是，在操作开关模式电源期间，使用扩展频谱技术改变开关的频率。

遗憾的是，使用扩展频谱技术可能会产生不太理想的结果。该方法可以降低开关频率处的杂音和开关频率的谐波，但也可能在输出上产生额外的噪声，从而影响在时域上表现的性能。

可以使用跳频来改变开关频率。该方法以随机地、从频率跳跃到频率的方式改变频率。然而，由于电感纹波电流可能会随频率变化，因此对于每次跳频可能需要在开关模式电源中找到新的补偿节点电压。因此，开关模式电源中的电流模式反馈环路在每次跳频之后可能需要定位到新的峰值电流，从而损害电源的性能。

还可以使用频率斜坡来改变开关频率。该方法利用三角波对开关模式电源中的时钟进行调制，以展宽噪声但保持所产生的噪声更接近开关频率，而不是遍布所有频率。美国专利7,362,191描述了这种情形的示例。但是该三角波仍然可能会因较小的漂移而在时域的输出电压上产生多个较小的杂音。

发明内容

开关模式电源可以利用开关信号来控制其内的一个或多个电源开关。

开关模式电源的控制器可以产生和/或控制该开关信号。

该控制器可通过以恒定转换速率幅度改变瞬时开关频率而该瞬时开关频率随机地改变正负号(sign)，来降低开关模式电源的峰值频谱噪声。随机地改变正负号在本文中称为“随机频率游走(walk)”。

可以由通过对随机比特流进行积分而产生的信号来控制瞬时开关频率。该随机比特流可以以亚音频重复。积分器可以是有损耗的，使得输出不会漂移到任意值。可以通过低通滤波器对频率调制信号进行滤波。

现在通过阅读下面对示例性实施例、附图和权利要求的详细描述，上述以及其它部件、步骤、特征、目标、益处和优点将变得清楚。

附图说明

附图是示例性实施例。这些附图没有示出所有实施例。可以附加地或替代地使用其它实施例。为了节省空间或更有效的说明，可能省略了可能是明显的或不必要的细节。一些实施例可用附加的部件或步骤实施、和/或在没有所示的所有组件或步骤的情况下实施。当相同的附图标记出现在不同的附图中时，该相同的附图标记指相同或相似的部件或步骤。

图1A-1D示出了示例性开关模式电源在频域的输出。图1A示出了不使用扩展频谱技术的电源的输出，图1B示出了使用跳频的电源的输出，图1C示出了使用频率斜坡的电源的输出，以及图1D示出了使用随机频率游走的电源的输出。

图2A-2D示出了示例性开关模式电源在时域的输出。图2A示出了不使用扩展频谱技术的电源的输出，图2B示出了使用跳频的电源的输出，图2C示出了使用频率斜坡的电源的输出，以及图2D示出了使用随机频率游走的电源的输出。

图3A-3D示出了示例性开关模式电源的示意图。图3A中的电源不使用扩展频谱技术，图3B中的电源使用跳频，图3C中的电源使用频率斜坡，以及图3D中的电源使用随机频率游走。

图4A-4D示出了示例性开关模式电源的压控电流波形的示例。图4A中的电源不使用扩展频谱技术，图4B中的电源使用跳频，图4C中的电源使用频率斜坡，以及图4D中的电源使用随机频率游走。

图5示出了以外部施加的时钟频率进行开关的开关模式电源的示例的框图。

具体实施方式

现在描述示例性实施例。可以附加地或替代地使用其它实施例。为了节省空间或更有效地呈现，可能省略了可能是明显的或不必要的细节。一些实施例可以用附加的组件或步骤实施、和/或在没有所有描述的组件或步骤的情况下实施。

如上所述，可以使用扩展频谱技术来降低开关模式电源(switch mode powersupply，SMPS)的输出中的峰值频域噪声。然而，跳频和频率斜坡的方法会产生不太理想的结果。

另一种方法是保持恒定速率的频率转换，但随机改变转换的方向。可以使用改进的伪随机数发生器来减少SMPS的时钟所产生的杂音，其中该伪随机数发生器使用可对时域上的输出漂移具有最小影响的数字发生器。这可以更好地抑制原始开关频率杂音，同时产生更少的宽带频率噪声和几乎为零的时域噪声。这种方法可以允许开关模式电源中的电流模式控制回路保持调节，同时不会产生可能引起杂音的任何相干频率。

这种方法可比跳频的效果更好，这是由于开关模式电源中的补偿环路可不被周围震动(jolt)。该方法还可以比使用失真的锯形波形的效果更好，该锯形波形如美国专利7,362,191中所述的锯形波形，这是因为该方法可以不要求以相干方式处理调制信号，以使得调频(FM)边带对于期望的侵入以特定于应用的方式产生衍射(破坏性干涉)，以勉强通过测试者检查的规范。

图1A-1D示出了示例性开关模式电源在频域的输出。图1A示出了不使用扩展频谱技术的电源的输出，图1B示出了使用跳频的电源的输出，图1C示出了使用频率斜坡的电源的输出，以及图1D示出了使用随机频率游走的电源的输出。

图2A-2D示出了示例性开关模式电源在时域的输出。图2A示出了不使用扩展频谱技术的电源的输出，图2B示出了使用跳频的电源的输出，图2C示出了使用频率斜坡的电源的输出，以及图2D示出了使用随机频率游走的电源的输出。

图3A-3D示出了示例性开关模式电源的示意图。图3A中的电源不使用扩展频谱技术。图3A中的电源是降压型开关模式电源，该降压型开关模式电源工作在峰值电流模式且因同步整流而具有强制连续电感电流。输入端是电压源V7。输出端在节点CW处，该节点CW负载有电阻器Rload1。电感器L1和电容器C11可以形成输出滤波器。

时钟可以包括二极管D12、电容器C10、跨导G7和施密特(Schmitt)触发器A7。施密特触发器的输出可在复位时为0伏，并在置位时为1伏。施密特触发器上小于或等于0伏的输入电压可使施密特触发器复位，而大于或等于1伏的电压可使施密特触发器置位。在每个时钟周期的开始，可以不使施密特触发器A7置位，则施密特触发器A7的输出可为0伏，使得跨导G7中的电流为零。电流源I1可供应恒定的5微安电流以对电容器C10进行充电，直到施密特触发器被置位。一旦置位，施密特触发器A7的输出可为1伏从而跨导G7的电流可为1毫安，对电容器C10进行快速放电直到施密特触发器A7复位，跨导G7的电流再次为零，电流源I1可再次对电容器C10进行充电。

这些部件可产生具有重复频率的时钟信号，该重复频率由电流源I1设定。因为电流源I1可以是恒定的5微安，所以频率可以是恒定的。

当施密特触发器A7置位时，可使触发器A8置位，同步整流开关S8可断开，并且开关S7可闭合。当开关S7闭合时，电感器L1中的电流可斜升直到其电流与误差放大器输出端的电压V(comp1)成比例。误差放大器可包括参考电压V8、跨导G8、补偿网络C12和二极管D11。可以用行为(behavioral)电流源B4感测电感电流，并可通过行为电流源B4的1*10⁶欧的内置分流电阻将该电感电流转换成电压。

比较器A9可以检测电感电流是否达到适当的值并使触发器A8复位，断开开关S7并闭合开关S8。可以调整换相时间，使得开关S7和S8不会同时闭合。二极管D10可以在两个开关S7和S8均断开时捕获电感电流。

二极管D11可限制误差放大器的输出电压范围。二极管D12可限制定时电容器上的电压范围。

图3A中所示的.model(模型)语句可以定义开关和二极管的特性。开关S7的模型定义可以是“.model T SW(Ron＝1m Roff＝10Meg Vt＝0.5Vh＝-0.4)”。这表示导通电阻可以为1毫欧，关断电阻可以是10兆欧，控制阈值电压可以是0.5伏，滞后电压可以是-0.4伏。负的滞后电压可表示，开关S7随着控制电压从0.1V变化到0.9V而平滑地从断开过渡到闭合。

开关S8的模型定义可以是“.model B SW(Ron＝1m Roff＝10Meg Vt＝-0.5 Vh＝-0.4)”。这表示导通电阻可以是1毫欧，关断电阻可以是10兆欧，控制阈值电压可以是-0.5伏，滞后电压可以是-0.4伏。负的滞后电压可表示，器件S8可以随着控制电压从-0.9伏增加到-0.1伏而平滑地从断开过渡到闭合。

二极管D12的模型语句可以是“.model O D(Ron＝10m Roff＝1G Vrev＝1.1)”。这表示二极管D12可以是具有10毫欧导通电阻、1千兆欧关断电阻、零正向电压降和1.1伏反向击穿电压的理想二极管。

二极管D10的模型语句可以是“.model C D(Ron＝1m Roff＝10Meg epsilon＝1)”。二极管D10可以是开关S7和S8都断开的时期的环流(catch)二极管。该模型表明二极管D10可以具有10兆欧的关断电阻和1毫欧的导通电阻，而参数ε(epsilon)表示在断开和导通之间可以存在1V的平滑过渡区域。

读作“.model L D(Ron＝1K Roff＝100Meg Vfwd＝10m Vrev＝1.2 ε＝0.1revepsilon＝0.5)”的.model语句，可用于限制误差放大器输出电压范围的二极管。该模型定义了从-10毫伏至1.2伏的标称摆幅的限制。时钟频率可以由电流源I1设定，该时钟频率在非扩展频谱情况下可以是恒定的。

图3B示出了使用跳频的示例性开关模式电源的示意图。除了可以对时钟定时电容器C1而不是图3A中电容器C10进行充电的时变电流源外，图3B中的部件可以与图3A中的相应部件相同。图3A可具有恒定电流源I1，以形成恒定的时钟周期和因此恒定的频率，而图3B可具有行为电流源I2，行为电流源I2周期性地阶跃到新水平以引起时钟周期和相应频率的突然变化。行为电流源I2的电流可以通过表达式“I＝0.5u*(Rand(时间)*20K)+9.5)”给出。该表达式可使用函数Rand()，该函数Rand()可取决于自变量(时间*20K或时间乘以二万)的整数值而返回0到1之间的随机数。在表达式5u*(Rand(时间*20K)+9.5)中使用此函数Rand()可表示，行为电流源I2的电流以每秒二十次跳到4.75微安至5.25微安之间的新随机值，而不是如图3A中的电流源I1所供应的5微安的恒定电流。时钟频率可以由电流I(I2)来设定。

图3C示出了使用频率斜坡的示例性开关模式电源的示意图。除了可以对图3C中时钟定时电容器C7而不是图3A中的电容器C10进行充电的时变电流源外，图3C中的部件可以与图3A中的相应部件相同。图3A可具有恒定电流源I1，以形成恒定的时钟周期和因此恒定的频率，而图3C可具有行为电流源I3，该行为电流源I3可有规律地斜升和斜降时钟周期从而有规律地斜升和斜降频率。行为电流源I3可以产生三角波，该三角波每100微秒从4.75微安斜升到5.25微安并返回。时钟频率可由行为电流源I3设定。

图3D示出了使用随机频率游走的示例性开关模式电源的示意图。除了可以对图3D中时钟定时电容器C4而不是图3A中电容器C10进行充电的时变电流源外，图3D中的部件可以与图3A中的相应部件相同。图3A可具有恒定电流源I1，以形成恒定的时钟周期和因此恒定的频率，而图3D可以具有行为电流源I4，该行为电流源I4以恒定幅度但随机方向转换。行为电流源I4的电流可以由表达式“I＝5u+idt(1m*(Rand(时间*20K)>0.5？1：-1))”给出。同样，函数Rand()可用于取决于其自变量的整数值而返回0到1之间的随机数，而该整数值可以是与0.5进行比较而产生0或1的布尔值。换言之，“Rand(时间*20K)>0.5？1:-1)”可以是20000波特的随机比特流的表达式。然后，该比特流可以如图所示按照1m(0.001的工程符号)的因子进行缩放，通过函数idt()进行积分，则增加到5微安，从而产生了可以恒定幅度变换但以5微安为中心随机上升或下降的电流。该电流可用于对定时电容器C4进行充电，并可使开关模式电源的开关频率随机地游走上升或下降。时钟频率可以由行为电流源I4设定。

图4A-4D示出了示例性开关模式电源的压控电流波形的示例。图4A中的电源不使用扩展频谱技术，图4B中的电源使用跳频，图4C中的电源使用频率斜坡，以及图4D中的电源使用随机频率游走。

图5示出了以外部施加的时钟频率进行切换的开关模式电源的示例的框图。时钟发生器501可产生用于SMPS 503的时钟信号。时钟发生器501的时钟频率可以由在输入端505施加的外部信号来控制。行为源B1可产生信号以控制时钟发生器501，该信号是经积分的随机比特流。开关模式电源可以是使用以下时钟频率的SMPS，该时钟频率以恒定转换速率但随机向上或向下变换。

所讨论的部件、步骤、特征、目标、益处和优点仅是示例性的。它们中的每个或者与它们有关的讨论都不是旨在以任何方式限制保护范围。还考虑了许多其它的实施例。这些实施例包括具有更少、附加和/或不同的部件、步骤、特征、目标、益处和/或优点的实施例。这些实施例还包括部件和/或步骤被布置和/或排序不同的实施例。

举例而言，所描述的方法可以应用于除降压型之外的拓扑，例如但不限于升压型、降压-升压型、升降压型(SEPIC)、反激型(flyback)、丘克型(Cuk)、升降压型(zeta)和正激型(forward)。所描述的方法对于非电流模式开关模式电源也是有用的，这是因为频率由随机游走控制的时钟仍然可将杂音伪装成频域上具有较低峰值振幅的随机噪声。所描述的方法可以应用于非强制连续电感电流开关模式电源和非同步开关模式电源。此外，所描述的方法可以不必用电流控制的振荡器实现，而是可用由信号控制的任何类型的振荡器来实现，该信号为以恒定幅度但随机向上和向下变换的信号。所描述的方法还可以结合低通滤波器和频率控制振荡器使用，该低通滤波器由恒定幅度转换速率且随机方向上变化的信号和振荡器控制的频率共同影响。

除非另有说明，否则在本说明书中所陈述的以及包含在所附权利要求中的所有的测量结果、值、率、位置、量级、尺寸和其它规格是大概的，而不是精确的。这些规格旨在具有与其涉及的功能和其所属领域的惯用一致的合理范围。

在本公开中所引用的所有文章、专利、专利申请和其它出版物通过引用并入本文。

短语“用于…的装置”在权利要求中使用时旨在并应当被解释为包括已描述的相应结构和材料及其等同物。类似地，短语“用于…的步骤”在权利要求中使用时旨在并应当被解释为包括已描述的相应动作及其等同物。权利要求中没有这些短语表示该权利要求不旨在并且不应当被解释为限于这些相应的结构、材料或动作，或其等同物。

保护范围仅由现在所附的权利要求限定。该保护范围旨在并且应当被解释为，尽可能宽泛地与权利要求中的语言根据说明书和随后的申请过程而解释的普通含义一致，除非已经阐述了特定含义，且旨在并应当被解释为包含所有的结构和功能等同物。

相关术语诸如“第一”和“第二”等可以仅用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开，而不必要求或暗示它们之间的任何实际关系或顺序。术语“包括”、“包含”或其任何其它变体在与本说明书或权利要求书中的要素列表一起使用时，旨在表明该列表不是排他的，而是可以包括其它要素。类似地，以“一(a或an)”开始的要素在没有进一步约束的情况下，不排除存在相同类型的附加要素。

所有的权利要求都不旨在涵盖不符合专利法第101、102或103章节所要求的主题，也不应当以这种方式来解释。因此，此类主题的任何非故意涵盖在此澄清。除本段直接声明的，已经声明或说明的内容不旨在也不应当被解释为将任何部件、步骤、特征、对象、益处、优点或等同物奉献给公众，而不管其是否在权利要求中叙述。

摘要被提供以帮助读者快速确定本技术公开的本质。它被提交为不会被用于解释或限定权利要求的范围或含义的理解。此外，在前述的详细描述中，各种特征在各实施例中组合在一起以精简本公开。这种公开方法不应当被解释为要求所声称的实施例，以要求比每个权利要求中明确陈述的特征更多的特征。而是，如所附权利要求所反映的，本发明的主题在于少于单个公开实施例的所有特征。因此，所附权利要求由此被并到详细说明中，每个权利要求自身作为单独要求保护的主题。

Claims (15)

1.一种用于产生在开关模式电源中的开关信号的控制器，所述开关信号用于控制所述开关模式电源中的一个或多个电源开关，所述控制器包括时钟电路，所述时钟电路产生开关信号，所述开关信号控制所述电源开关，并具有以恒定转换速率变化且随机地改变正负号的频率，从而降低所述开关模式电源的峰值频谱噪声。

2.根据权利要求1所述的控制器，还包括：积分器，所述积分器通过对随机比特流进行积分来产生控制所述开关信号的频率的信号。

3.根据权利要求2所述的控制器，其中，所述随机比特流以亚音频重复。

4.根据权利要求2所述的控制器，其中，所述积分器是有损耗的，从而防止所述积分器的输出漂移到任意值。

5.根据权利要求2所述的控制器，还包括：低通滤波器，所述低通滤波器对所述积分器产生的积分信号进行滤波。

6.一种开关模式电源，包括：

一个或多个电源开关；和

控制器，所述控制器包括时钟电路，所述时钟电路产生开关信号，所述开关信号控制所述电源开关，并具有以恒定转换速率变化且随机地改变正负号的频率，从而降低所述开关模式电源的峰值频谱噪声。

7.根据权利要求6所述的开关模式电源，其中，所述控制器还包括积分器，所述积分器通过对随机比特流进行积分来产生控制所述开关信号的频率的信号。

8.根据权利要求7所述的开关模式电源，其中，所述随机比特流以亚音频重复。

9.根据权利要求7所述的开关模式电源，其中，所述积分器是有损耗的，从而防止所述积分器的输出漂移到任意值。

10.根据权利要求7所述的开关模式电源，其中，所述控制器还包括低通滤波器，所述低通滤波器对所述积分器产生的积分信号进行滤波。

11.一种用于产生在开关模式电源中的开关信号的方法，所述开关信号用于控制所述开关模式电源中的一个或多个电源开关，所述方法包括：产生开关信号，所述开关信号控制所述电源开关，并具有以恒定转换速率变化且随机地改变正负号的频率，从而降低所述开关模式电源的峰值频谱噪声。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：通过对随机比特流进行积分来产生控制所述开关信号的频率的信号。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述随机比特流以亚音频重复。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，积分器是有损耗的，从而防止所述积分器的输出漂移到任意值。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括：对积分器产生的积分信号进行低通滤波。