CN203827178U - 一种开关电源装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种开关电源装置，其包括电压控制模块、开关控制模块和信号乘法模块，电压控制模块连接开关控制模块，开关控制模块连接信号乘法模块；由电压控制模块根据第一开关信号和第二开关信号对输入电压的电压值进行升压和/或降压调整后输出输出电压，对输出电压分压后生成分压电压并传输给开关控制模块；信号乘法模块将输入的斜波信号与控制信号相乘后输出频率变化且信号带宽被展宽的调频信号；开关控制模块将调频信号和输入的基准信号进行比较、放大、整形后生成相应的频率变化且信号带宽被展宽的第一开关信号和第二开关信号；通过信号乘法器展宽了第一开关信号和第二开关信号的信号带宽，降低其功率峰值，从而减少了电磁干扰。
Description
技术领域
本实用新型涉及电源技术领域，特别涉及一种开关电源装置。
背景技术
现有的开关电源装置主要由变压器及其外围控制电路组成。图1示出了现有技术中采用降压方式的开关电源装置，其包括电压控制单元10和开关控制单元20，其电路结构和连接关系如图1所示。图1中电压控制单元10采用降压变压器结构，其输出电压V0总小于输入电压Vi。输出电压V0经过开关控制单元20进行信号比较后输出第一开关信号S1、第二开关信号S2分别控制第一功率开关SW1、第二功率开关SW2的通断，从而再次调制输出电压V0的电压值。
在具体实施时，所述开关电源装置还可以采用升压方式，在图1的基础上改变第一功率开关SW1、第二功率开关SW2和电感L的位置得到图2所示的采用升压变压器结构的电压控制单元10/；此时，输出电压V0总大于输入电压Vi。
在具体实施时，所述开关电源装置还可以采用升降压混合方式，在图1或图2的基础上改变第一功率开关SW1、第二功率开关SW2和电感L的位置得到图3所示的采用升降压混合变压器结构的电压控制单元10//；此时，输出电压V0可以大于或小于输入电压Vi，由第一开关信号S1、第二开关信号S2决定。
以图1为例，输出电压Vo经过第一电阻R1和第二电阻R2分压后得到分压信号Vf（以电压方式表现）。分压信号Vf与外部输入的基准信号Vr经过误差放大器U1进行比较并放大，得到误差信号Ve。误差信号Ve和外部输入的斜波信号Vs（也可以采用三角波）经过比较器U2比较后输出脉冲信号Vc。误差信号Ve、斜波信号Vs和脉冲信号Vc的波形如图4所示。脉冲信号Vc经过基准RS触发器U3与外部输入的基准时钟信号Vclk进行触发后得到第一开关信号S1控制第一功率开关SW1的通断（高电平导通，低电平断开）。第一开关信号S1经过反相器not反相后得到信号第二开关信号S2控制第二功率开关SW2。输入电压Vi通过开关的通断选择后得到调制后稳定的输出电压V0。其中，所述基准时钟信号Vclk为周期和幅值固定的方波信号。基准时钟信号Vclk的上升沿触发第一开关信号S1的上升沿，脉冲信号Vc的上升沿触发第一开关信号S1的下降沿。
从图4和图5可以看出，误差信号Ve为电压固定的电平信号，斜波信号Vs为一频率固定的斜波。当误差信号Ve的电压较高时，脉冲信号Vc的占空比就比较小、即高电平的脉冲宽度较窄；误差信号Ve的电压较低时，脉冲信号Vc的占空比较大、即高电平的脉冲宽度较宽。脉冲信号Vc的波形与误差信号Ve的电压值成线性关系，从而第一开关信号S1和第二开关信号S2的高脉冲的个数由外部输入的斜波信号Vs决定。
由于现有技术中，外部输入的信号Vs是固定频率的斜波信号，导致得到的第一开关信号S1和第二开关信号S2的频率也是固定的，使脉冲信号Vc、第一开关信号S1和第二开关信号S2的频谱一致，如图6的频谱分析图所示（其中省略了信号的高次谐波）。图6中f0表示第一开关信号S1和第二开关信号S2的频率，该信号能量的功率峰值A0位于频率f0上，其功率峰值较高导致电磁干扰较大。基于于第一开关信号S1、第二开关信号S2控制分别控制第一功率开关SW1、第二功率开关SW2，因此第一功率开关SW1、第二功率开关SW2产生的电磁干扰的频谱与第一开关信号S1、第二开关信号S2的频谱一致。也即是说，现有的电源开关装置中，由于第一开关信号S1、第二开关信号S2的频率固定，导致第一功率开关SW1、第二功率开关SW2的频谱的功率峰值较高，电磁干扰较大。
有鉴于此，本实用新型提供一种开关电源装置。
实用新型内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种开关电源装置，以解决现有开关电源装置电磁干扰较大的问题。
为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：
一种开关电源装置，其包括：
用于根据第一开关信号和第二开关信号对输入电压的电压值进行升压和/或降压调整后输出输出电压，对输出电压分压后生成分压电压并传输给开关控制模块的电压控制模块；
用于将外部输入的斜波信号与控制信号相乘后输出频率变化且信号带宽被展宽的调频信号给开关控制模块的信号乘法模块；
用于将调频信号和外部输入的基准信号进行比较、放大、整形后生成相应的频率变化且信号带宽被展宽的第一开关信号和第二开关信号的开关控制模块；
所述电压控制模块连接开关控制模块，开关控制模块连接信号乘法模块；
所述频率变化为随着控制信号的电压逐渐上升，调频信号的高脉冲的宽度逐渐增宽；随着控制信号的电压逐渐下降，调频信号的高脉冲的宽度逐渐变窄。
所述的开关电源装置中，所述信号乘法模块包括：
用于根据控制信号产生电流，根据RS触发器反馈的第一时钟信号和第二时钟信号控制所述电流充电或放电以产生第一充放电电压和第二充放电电压的电压产生单元；
用于将所述第一充放电电压和第二充放电电压分别与斜波信号进行差值比较后输出第一脉冲信号和第二脉冲信号的比较单元；
用于对第一脉冲信号和第二脉冲信号进行整形后输出第一时钟信号和第二时钟信号的RS触发器；
所述电压产生单元、比较单元和RS触发器依次连接，所述RS触发器连接电压产生单元。
所述的开关电源装置中，所述电压产生单元包括MOS管、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一电容和第二电容；
所述MOS管的栅极输入控制信号，MOS管的源极连接电源端，MOS管的漏极连接第一开关的一端和第二开关的一端，所述第一开关的另一端连接比较单元、第三开关的一端和开关控制模块，所述第二开关的另一端连接比较单元和第四开关的一端，所述第三开关的一端通过第一电容接地，第三开关的另一端接地，所述第四开关的一端通过第二电容接地，第四开关的另一端接地，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的控制端均连接RS触发器。
所述的开关电源装置中，所述MOS管Q为PMOS管，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关为NMOS管或NPN三极管。
所述的开关电源装置中，所述比较单元包括第一信号比较器和第二信号比较器，所述第一信号比较器和第二信号比较器的反相输入端均输入斜波信号，第一信号比较器的正相输入端连接第一开关的另一端和第三开关的一端，第二信号比较器的正相输入端连接第二开关的另一端和第四开关的一端，第一信号比较器和第二信号比较器的输出端均连接RS触发器。
所述的开关电源装置中，所述RS触发器包括第一与门和第二与门，所述第一与门的第一输入端连接第一信号比较器的输出端，第一与门的第二输入端连接第二与门的输出端，所述第二与门的第二输入端连接第二信号比较器的输出端，第二与门的第一输入端连接第一与门的输出端，所述第一与门的输出端连接第一开关和第四开关的控制端，所述第二与门的输出端连接第二开关和第三开关的控制端。
相较于现有技术，本实用新型提供的开关电源装置由电压控制模块根据第一开关信号和第二开关信号对输入电压的电压值进行升压和/或降压调整后输出输出电压，对输出电压分压后生成分压电压并传输给开关控制模块；信号乘法模块将外部输入的斜波信号与控制信号相乘后输出频率变化且信号带宽被展宽的调频信号给开关控制模块；开关控制模块将调频信号和外部输入的基准信号进行比较、放大、整形后生成相应的频率变化且信号带宽被展宽的第一开关信号和第二开关信号；通过增加的信号乘法器改变了第一开关信号和第二开关信号的频谱，展宽了其信号带宽，降低其功率峰值，从而减少了电磁干扰。
附图说明
图1为现有技术中采用降压方式的开关电源装置的示意图。
图2为现有技术中采用升压方式的开关电源装置的示意图。
图3为现有技术中采用升降压混合方式的开关电源装置的示意图。
图4为图1中误差信号、斜波信号和脉冲信号的波形示意图。
图5为图1中第一开关信号和第二开关信号的波形示意图。
图6为图1中第一开关信号和第二开关信号的频谱分析图。
图7为本实用新型实施例提供的采用降压方式的开关电源装置的结构框图。
图8为本实用新型实施例提供的采用升压方式的开关电源装置的的结构框图。
图9为本实用新型实施例提供的采用升降压混合方式的开关电源装置的的结构框图。
图10为本实用新型实施例提供的开关电源装置中信号乘法器的电路图。
图11为本实用新型实施例提供的信号乘法器的波形示意图。
图12为本实用新型实施例提供的频谱分析对比图。
具体实施方式
本实用新型提供一种开关电源装置，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实施例在现有的开关电源装置中增加一信号乘法器来改变外部输入的斜波信号的频率，进而改变第一开关信号和第二开关信号的频率变化，使第一开关信号和第二开关信号的信号带宽展宽，以降低其功率峰值，减少电磁干扰。请参阅图7，本实用新型实施例提供的开关电源装置包括现有的电压控制模块100、开关控制模块200和信号乘法模块300，所述电压控制模块100连接开关控制模块200，开关控制模块200连接信号乘法模块300。所述电压控制模块100根据第一开关信号S1和第二开关信号S2对输入电压Vi的电压值进行升压和/或降压调整后输出输出电压V0，对输出电压分压后生成分压电压Vf并传输给开关控制模块200。信号乘法模块300将外部输入的斜波信号Vs与控制信号Vm相乘后输出频率变化且信号带宽被展宽的调频信号Vms给开关控制模块200。开关控制模块200将调频信号Vms和外部输入的基准信号Vr进行比较、放大、整形后生成相应的频率变化且信号带宽被展宽的第一开关信号S1和第二开关信号S2。
所述电压控制模块100可以对输入电压Vi进行升压、降压、升降压混合的调整。图7中的电压控制模块100示出进行升压调整的电路结构。图8中的电压控制模块100/示出进行降压调整的电路结构。图9中的电压控制模块100//示出进行升降压混合调整的电路结构。应当理解的是，所述电压控制模块和开关控制模块为现有技术，其电路结构可参见图1至图3，此处对此不作赘述。
本实施例的改进点在于，增加一个信号乘法模块300来调制外部输入的斜波信号Vs。该信号乘法模块适用于图7至图9的任何一种电压调整电路，即能展宽第一开关信号S1和第二开关信号S2的信号带宽以降低电磁干扰，又不会影响电压调整的结果。
以图7为例，电压控制模块100的输出电压Vo经过第一电阻R1和第二电阻R2分压后得到分压信号Vf并输入误差放大器U1的反相输入端。基准信号Vr输入误差放大器U1的同相输入端、与分压信号Vf进行比较放大后输出误差信号Ve至比较器U2的同相输入端。同时，斜波信号Vs与控制信号Vm通过信号乘法模块300相乘后得到调频信号Vms。调频信号Vms传输至比较器U2的反相输入端，与误差信号Ve进行比较后输出脉冲信号Vc。脉冲信号Vc与外部输入的基准时钟信号Vclk经过基准RS触发器U3触发后生成第一开关信号S1。第一开关信号S1经过反相器not反相后得到第二开关信号S2。第一开关信号S1、第二开关信号S2分别控制第一功率开关SW1、第二功率开关SW2的通断；从而再次对输入电压Vi的电压值进行调整，以稳定输出电压V0的电压值。
本实施例中，信号乘法模块300的作用是：随着控制信号Vm的电压逐渐上升，控制输出的调频信号Vms的高脉冲的宽度逐渐增宽；随着控制信号Vm的电压逐渐下降，调频信号Vms的高脉冲的宽度逐渐变窄；调频信号Vms的波形以斜波信号Vs的波形为模板。请一并参阅图10，其为本实施例提供的信号乘法模块300的一种电路结构。
所述信号乘法模块300包括电压产生单元301、比较单元302和RS触发器303，所述电压产生单元301、比较单元302和RS触发器303依次连接，所述RS触发器303连接电压产生单元301。所述电压产生单元301根据控制信号Vm产生电流，根据RS触发器303反馈的第一时钟信号CLK1和第二时钟信号CLK2控制所述电流充电或放电以产生第一充放电电压和第二充放电电压。比较单元302将所述第一充放电电压和第二充放电电压分别与斜波信号Vs进行差值比较后输出第一脉冲信号和第二脉冲信号。RS触发器303对第一脉冲信号和第二脉冲信号进行整形后输出第一时钟信号CLK1和第二时钟信号CLK2。
本实施例中，所述电压产生单元301包括MOS管Q、第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第一电容C1和第二电容C1，所述MOS管Q为PMOS管。所述MOS管Q的栅极输入控制信号Vm，MOS管Q的源极连接电源端，MOS管Q的漏极连接第一开关K1的一端和第二开关K2的一端，所述第一开关K1的另一端连接比较单元302、第三开关K3的一端和开关控制模块200的比较器U2的反相输入端，所述第二开关K2的另一端连接比较单元302和第四开关K4的一端，所述第三开关K3的一端通过第一电容C1接地，第三开关K3的另一端接地，所述第四开关K4的一端通过第二电容C2接地，第四开关K4的另一端接地，所述第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4的控制端均连接RS触发器303。其中，在具体实施时，所述第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4可以为MOS管（NMOS管）或三极管（NPN三极管）。
所述比较单元302包括第一信号比较器L1和第二信号比较器L2，所述第一信号比较器L1和第二信号比较器L2的反相输入端均输入斜波信号Vs，第一信号比较器L1的正相输入端连接第一开关K1的另一端和第三开关K3的一端，第二信号比较器L2的正相输入端连接第二开关K2的另一端和第四开关K4的一端，第一信号比较器L1和第二信号比较器L2的输出端均连接RS触发器303。
所述RS触发器303包括第一与门and1和第二与门and2，所述第一与门and1的第一输入端A连接第一信号比较器L1的输出端，第一与门and1的第二输入端B连接第二与门and2的输出端F，所述第二与门and2的第二输入端B连接第二信号比较器L2的输出端，第二与门and2的第一输入端A连接第一与门and1的输出端F，所述第一与门and1的输出端F连接第一开关K1和第四开关K4的控制端，所述第二与门and2的输出端F连接第二开关K2和第三开关K3的控制端。
如图10所示，控制信号Vm控制从MOS管Q流出的电流的大小。第一开关K1和第三开关K3控制电流对第一电容C1的充放电状态，从而形成相应的第一充放电电压。第二开关K2和第四开关K4控制电流对第二电容C2的充放电状态，从而形成相应的第二充放电电压。第一信号比较器L1比较第一充放电电压与斜波信号Vs的差值后输出第一脉冲信号。第二信号比较器L2比较第二充放电电压与斜波信号Vs的差值后输出第二脉冲信号。第一脉冲信号和第二脉冲信号通过由第一与门and1和第二与门and2组成的RS触发器303去除毛刺、整形，从第一与门and1输出第一时钟信号CLK1，从第二与门and2输出第二时钟信号CLK2。第一时钟信号CLK1返回控制第一开关K1和第四开关K4的通断。第二时钟信号CLK2返回控制第二开关K2和第三开关K3的通断。其中，第一时钟信号CLK1与第二时钟信号CLK2的波形相反。
当控制信号Vm变化时，电流随之发生变化，进而引起第一电容C1和第二C2的充放电时间变化，即影响第一充放电电压和第二充放电电压的频率。由于第一充放电电压即是调频信号Vms，也即是说调频信号Vms的频率发生变化。假设控制信号Vm为三角波信号，则控制信号Vm、第一时钟信号CLK1与调频信号Vms的波形如图11所示。从图11中可以看出，调频信号Vms的频率随着控制信号Vm的电压值的变化而变化，第一时钟信号CLK1的周期也随之发生改变。
在上述过程中，斜波信号Vs被控制信号Vm调制之后得到调频信号Vms。假设斜波信号Vs的频率为f0（即图6所示现有技术中的第一开关信号S1和第二开关信号S2的频率f0）, 控制信号Vm的频率为fm，依据信号调制理论，控制信号Vm的信号带宽被展宽为2*fm，而其功率峰值将比斜波信号Vs的功率峰值低。对本实施例提供的开关电源装置仿真得到的调频信号Vms的频谱如图12中实线所示。也即是说，调频信号Vms、脉冲信号Vc、第一开关信号S1、第二开关信号S2的频谱相同。斜波信号Vs的频谱如图12中虚线所示。从图12中可以看出，调频信号Vms的信号带宽变为2*fm，且其功率峰值A1要比斜波信号Vs的功率峰值A0低。调频信号Vms的这一特性将依次传递到脉冲信号Vc、第一开关信号S1、第二开关信号S2上。从而导致第一开关信号S1和第二开关信号S2的信号带宽也被展宽为2*fm，其功率峰值将比现有技术中的功率峰值低。因此第一功率开关SW1、第二功率开关SW2带来的电磁干扰的频谱特性也具有调频信号Vms的频谱特性，这样电磁干扰的功率峰值将降低，也即是降低电磁干扰。并且，对于开关电源来说，这种频谱特性可以减少对外部滤波器的需求，简化系统的设计。
在具体实施时，所述控制信号Vm可以是周期的信号，如正弦信号、三角波信号、方波信号、或者这些信号的不同组合，也可以是非周期的信号。综上所述，本实用新型通过信号乘法模块对外部输入的斜波信号的频率进行调制，使第一开关信号和第二开关信号的频率改变，使其频谱具有较宽的信号带宽和较低的信号功率峰值，从而减少电磁干扰。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种开关电源装置，其特征在于，包括：
用于根据第一开关信号和第二开关信号对输入电压的电压值进行升压和/或降压调整后输出输出电压，对输出电压分压后生成分压电压并传输给开关控制模块的电压控制模块；
用于将外部输入的斜波信号与控制信号相乘后输出频率变化且信号带宽被展宽的调频信号给开关控制模块的信号乘法模块；
用于将调频信号和外部输入的基准信号进行比较、放大、整形后生成相应的频率变化且信号带宽被展宽的第一开关信号和第二开关信号的开关控制模块；
所述电压控制模块连接开关控制模块，开关控制模块连接信号乘法模块；
其中，所述频率变化为随着控制信号的电压逐渐上升，调频信号的高脉冲的宽度逐渐增宽；随着控制信号的电压逐渐下降，调频信号的高脉冲的宽度逐渐变窄。
2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，所述信号乘法模块包括：
用于根据控制信号产生电流，根据RS触发器反馈的第一时钟信号和第二时钟信号控制所述电流充电或放电以产生第一充放电电压和第二充放电电压的电压产生单元；
用于将所述第一充放电电压和第二充放电电压分别与斜波信号进行差值比较后输出第一脉冲信号和第二脉冲信号的比较单元；
用于对第一脉冲信号和第二脉冲信号进行整形后输出第一时钟信号和第二时钟信号的RS触发器；
所述电压产生单元、比较单元和RS触发器依次连接，所述RS触发器连接电压产生单元。
3.根据权利要求2所述的开关电源装置，其特征在于，所述电压产生单元包括MOS管、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一电容和第二电容；
所述MOS管的栅极输入控制信号，MOS管的源极连接电源端，MOS管的漏极连接第一开关的一端和第二开关的一端，所述第一开关的另一端连接比较单元、第三开关的一端和开关控制模块，所述第二开关的另一端连接比较单元和第四开关的一端，所述第三开关的一端通过第一电容接地，第三开关的另一端接地，所述第四开关的一端通过第二电容接地，第四开关的另一端接地，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的控制端均连接RS触发器。
4.根据权利要求3所述的开关电源装置，其特征在于，所述MOS管为PMOS管，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关为NMOS管或NPN三极管。
5.根据权利要求3所述的开关电源装置，其特征在于，所述比较单元包括第一信号比较器和第二信号比较器，所述第一信号比较器和第二信号比较器的反相输入端均输入斜波信号，第一信号比较器的正相输入端连接第一开关的另一端和第三开关的一端，第二信号比较器的正相输入端连接第二开关的另一端和第四开关的一端，第一信号比较器和第二信号比较器的输出端均连接RS触发器。
6.根据权利要求5所述的开关电源装置，其特征在于，所述RS触发器包括第一与门和第二与门，所述第一与门的第一输入端连接第一信号比较器的输出端，第一与门的第二输入端连接第二与门的输出端，所述第二与门的第二输入端连接第二信号比较器的输出端，第二与门的第一输入端连接第一与门的输出端，所述第一与门的输出端连接第一开关和第四开关的控制端，所述第二与门的输出端连接第二开关和第三开关的控制端。
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