专利名称：功率变换器中的噪声降低的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于降低可听噪声的控制设备，一种包括这样的控制设备的功率变换器，以及一种控制功率变换器的方法，例如用于TV、VCR、打印机、计算机等的准共振开关模式功率变换器。
背景技术：
在许多开关模式功率变换器中，最低频率并没有限制在20千赫兹以下，例如，像在准共振变换器中那样。这就是说，变换器可能产生可听见的噪声，这是不可接受的，并且可由人的耳朵感觉到。在某些变换器中，像在回扫变换器中，当变换器短路、启动、或断开时，就可能发生这种情况。当以高功率电平驱动准共振功率变换器时，用于切换变换器的频率越来越低。当通过开关的电流变高时切换频率进一步降低，所说的开关通常是用某种类型的晶体管电路实现的，像FET晶体管。因此，对于现在的变换器来说，存在一个问题。
US-6011361描述了一种补偿式变换器(buck converter)，用于点火和操作高压放电灯。这里，可以对切换变换器的晶体管的最大断开时间进行设置以便避免低于20千赫兹的操作。在该专利文献中，没有对频率进行监视或直接限制，只设置了断开时间限制。不管切换频率高、低，一直都要设置这些限制。断开时间的上限为36微秒，下限为5微秒。对于可听噪声而言，如果达到断开时间的时间限制，这个开关就要接通。如果要这种装置能在降低噪声的情况下工作，负载和输入电压都必须已知。由于安排的电路用于驱动灯，灯的负载是已知的，所以在这个环境下的灯工作状态良好。但是对于降低噪声的电源，这种灯的工作状态不好，因为一个电源必须能够配几种不同类型的负载，并且只在实际的频率很低时以及变换器不是在正常工作时，才对开关周期进行限制。这篇文献没有描述不连续导通模式下对于晶体管中峰值电流的限制。
发明内容
本发明涉及在功率变换器中降低可听噪声的问题，可听噪声例如可能发生在变换器启动、短路、功率过大时，或者发生在断开变换器的时候。本发明由独立权利要求限定。从属权利要求确定了优选实施例。
通过控制功率变换器的方法来解决所述的问题，功率变换器包括至少一个开关，监视第一开关的切换频率并且对于第一开关进行控制，以使这个频率保持在大于产生可听噪声的某一水平。
至于本发明的优选实施例，可以实现一种变换器，这个变换器要求在控制设备中有几个额外的部件，借此来保持控制设备和变换器的成本很低。从以下的描述可知，本发明的附加优点是明显的。
图1是按照本发明的优选实施例的回扫变换器的示意图；图2表示按照本发明的优选实施例的回扫变换器的控制器；图3是表示在图1的变换器的操作的几个周期期间的各个电流和电压的曲线图；图4是表示在图1的变换器的操作的另外几个周期期间的各个电流和电压的曲线图；图5表示按照本发明的另一个实施例的回扫变换器的示意图。
具体实施例方式
下面参照用于DC/DC变换的回扫变换器描述本发明。然而，本发明决不只是限于这样的变换器或者只是限于DC/DC变换，本发明可以用任何类型的变换器实现。例如像补偿式、升压式、或者补偿-升压式。所说的变换可以是类似的其它类型的变换，如AC/DC、DC/AC、或AC/AC。
图1表示作为一个电源工作的按照本发明的一个回扫变换器10。所示的变换器是使用电流模式控制的变换器。在这个变换器中，输入电压源12的电压为Vin，输入电压源12连接在地和以变压器14形式的功率变换装置的初级绕组16的第一端之间。初级绕组16的第二端连接到第一晶体管或第一开关26的漏极，该晶体管最好是FET晶体管。第一晶体管26的栅极连接到控制装置或控制器28的驱动器输出40。晶体管26的源极连接到检测电阻器44，检测电阻器44又连接到地。在晶体管26的源极和检测电阻器44之间的连接点经过包括电阻器46和电容器48的并联电路连接到控制器28的检测输入端43。控制器28有一个接地端42，该接地端42连接到地，用于使构成控制器的不同电路接地。控制器28包括加电复位电路(power-on-resetcircuit)34和振荡器36，二者都连接到PWM控制器或门控驱动电路32。门控驱动电路32还连接到控制输入端38和检测输入端43。门控驱动电路32还连接到RS触发器30的复位输入端R和RS触发器30的置位输入端S。RS触发器有输出端Q，该输出端Q连接到晶体管26的栅极。控制器28还有一个计时器45，计时器45连接在驱动器输出40和门控驱动电路32之间。
变压器14的次级绕组18的第一端连接到二极管20，二极管20又连接到第一电容器22和负载24。负载24、第一电容器22、和变压器14的次级绕组18还连接到地，最好是经过电流隔离(galvanicisolation)接地。二极管20、电容器22和负载24之间的连接点还连接到控制器28的控制输入端38。连接点最好经过光耦合器连接到控制输入端38。
图2表示按照本发明的优选实施例的控制器28的各个部分的电路图。控制器28的检测输入端43连接到比较装置的第一输入端，所说的比较装置为第一比较器52的形式，第一比较器设置在门控驱动电路32中。电流源56经过第二开关54连接到比较器52的所说第一输入端。比较器52的第二输入端连接到电压源50。与晶体管26相连以形成第一开关的第一比较器52的输出还连接到D触发器58的时钟输入端dk。第二比较器57的输出连接到D触发器58的D输入端。第二比较器57具有正输入端和负输入端，正输入端接收来自上述的计时器的信号，负输入端连接到基准电压Vref。第二开关54由门控驱动电路32控制，后面将在本说明书中描述所说的控制的方式。还应该认识到，第二开关、电流源、电压源、D触发器、和第二比较器也都设置在门控驱动电路中。
图3表示的是图1和图2的回扫变换器的不同电压和电流。在图3的上部，表示晶体管26的漏极电压Ud随时间以及输入电压Vi的变化。这个电压的下面表示的是由门控驱动电路32为晶体管26的切换向晶体管26的栅极产生的驱动电压脉冲V40。在驱动脉冲下面表示的是流过晶体管26的电流I26，在流过晶体管的电流的下面表示的是变换器的输出电流I18。在变换器的输出电流I18的下面表示的是从计时器45向第二比较器57提供的电压V45以及基准电压电平Vref。在从计时器45提供的电压V45的下面表示的是从第二比较器57的输出电压V57，在个电压V57的下面是从由D触发器向第二开关54提供的另一个电压S54。图4表示与图3相同类型的电流和电压，但是负载较大，即较大的输出电流，并且这时的频率变得很低以致于要产生可听噪声。
在正常操作下，即，当频率大于产生可听噪声的水平时，变换器按照已知的方式向负载提供输出电压。还要通过调节通过开关26的峰值电流并且检测晶体管26的漏极的电压变为最小或变为0的时间来使用电流控制按照已知方式对于第一开关26进行控制。按照另一种方式，可以检测是否有变压器14的初级绕组16两端电压的零交叉并且增加一个延迟，这种操作模式称之为临界不连续电源或自动振荡电源(SOPS)模式。通过变换器的输出电压设置要进行切换的峰值电流。从图3和图4可以看出，功率电平越高，即，当变换器传递更多的电流的时候，频率变得越来越低。进而，当晶体管26的导通时间越长，峰值电流变得越来越大，这种情况也降低了频率。第二阶段(stroke)时间，即，电流流过输出级的时间，取决于输入电压V18。当输入电压下降时，第二阶段时间增加，所以频率下降。在正常操作中，变换器在高于20千赫兹的频率范围内工作。然而，当存在大的负载的时候，例如当变换器在短路、启动、功率过高时，或者当断开变换器时，可能会产生可听噪声，这是绝对不期望的。下面，将更加详细地描述减小这些低频的方法。在“Philips的半导体”一文的数据页“TEA1507”中，描述了一种典型的控制器，在这里参照引用了这篇文章。
如早些时候提到的，变换器的输出电压V18是通过使用控制器28控制初级绕组16中电流的导通时间进行控制的。这个电流是通过测量检测电阻器44上的电压确定的。这个电压加到门控驱动电路32上，门控驱动电路32响应检测的电流来调节晶体管26(通常为场效应晶体管，如BJT或MOSFET)的导通时间。在优选实施例中，这是通过比较检测电阻器两端电压与第一比较器52中的电压源50的电压进行的，结果产生高的电压电平。然而这个高的电压电平使第一开关26导通。当晶体管26截止时，在变压器14中的磁场破灭(collapse)，存储在磁场中的能量转换成次级电路中的电流，这个电流给第一电容器22充电。在初级绕组阶段(stroke)漏-源极电压Ud约为0，在次级绕组阶段(stroke)Ud＝Vi+nV18，这里n是初级绕组16和次级绕组18之间的比例。
在控制器28的正常操作期间，当漏极两端电压接近为0的时候，第一开关26导通。这个电压可通过经变压器的初级绕组的中点的检测终端的检测电压来提供。这个电压还可以通过具有额外的检测绕组的变压器来提供，控制器检测或者通过某个其它合适的装置来检测这个检测绕组。按照在本领域中公知的自动振荡模式控制或临界不连续模式控制，对于开关26进行控制。电压源的电压不必固定，而是可以根据在控制器28的控制输出端接收的测量的输入电压有所变化。所有这些都是变换器的标准电流控制。
如果时间太长，即，频率达到设定的水平，如产生可听噪声的20千赫兹，计时器45向门控驱动电路32发送一个信号，以便调节第一开关26。门控驱动电路32然后控制第一开关26，使这个频率再次增加。
如早些时候描述的，控制单元28的计时器45监视第一开关26的频率。为此，它要计数从开关26最后一次导通开始的时间。如果这个时间达到了对应于选定频率(在优选实施例中为20千赫兹)的设定时间限制，即用于产生可听噪声的时间限制(即这个时间是50微秒)，则要向门控驱动电路给出一个指示。为此要通过计时器45向第二比较器57提供一个随时间不断增加的电压。如果这个电压大于基准电压Vref，第二比较器57就向D触发器58提供高电压电平。这里将基准电压设置成当达到对应于设定频率的周期的时间时通过来自计时器的电压可达到的电压电平Vref。然后，D触发器58在下一次得到时钟脉冲时将它的输出端Q设置成高电压电平。然后，在与第一开关26导通的同时，门控驱动电路闭合第二开关54。这通过以下的事实完成正在驱动第一开关26的第一比较器52的输出也用作D触发器58的时钟信号，D触发器58随后时钟输出导通第二开关的高电压电平。这使电流源56开始加载电容器48。在这样作时，电容器4 3两端的电压就加到检测电阻器44两端的电压上，这导致比较器52以较低的电流水平切断第一开关26。在这样作时，第一开关26的频率得以提高。当第一开关26截止时，第二开关54保持导通。一旦第一开关26导通，计时器45马上复位，并且再次开始计数。如果低频问题占据主导地位，计时器将产生另一个指示，它将保持第二开关54导通。然而，如果频率达到高于所说的设定水平，计时器45的输出将不会达到电压电平Vref，并且第二比较器57将产生将要提供给D触发器58的一个低电压。下一次D触发器58通过导通第一开关26得到时钟脉冲时，D触发器的Q输出端变低，使第二开关54截止。电阻器46用于给电容器48卸载。
利用优选实施例，明显降低了产生噪声的频率。描述的例子是针对电流控制的。所述的优选实施例是成本有效的方法。电阻器46和电容器48已经存在在许多系统中，用于变换器的软启动。这就意味着，由于不需要额外的元部件，所以本发明是廉价的。为了减小成本，重要的是要保持在变换器中的元部件的数目最少，这也是众所周知的事实。由于电阻器46和电容器48都不在控制器里，因此对它们的选择是随心所欲的，从而使本发明的可操作性良好。这在确定峰值电流限制的速度时可有很大的灵活性。已经对这个优选实施例进行了测试，得到了良好的效果。
本发明还可能使用电压控制来实施。在图5中表示的是电压控制的变换器。图5有许多地方与图1类似。其差别在于，在图5的变换器中，控制器没有检测输入端43，并且没有检测电阻器44或并联电路46、48。其余部分相同，在这里不作进一步的描述。在这种情况下，第一开关26的导通时间通过直接PWM控制进行限制。这里，导通时间由输入电压控制。在这里，提高相对于基准电压的电压也能提供导通时间限制。低频率的指示在这里也是使用连接到计时器的比较器提供的。然而，在许多情况下，电流控制优于电压控制，这是因为前者的控制更加直接和更加快速的缘故。
尽管上述按照本发明控制第一开关的导通时间，但还有一种情况存在，即，频率低于20千赫兹。第一开关26具有最小的导通时间，即最小的可能导通的时间。如果由门控驱动电路32设定的导通时间限制小于这个最小的导通时间，则第一开关26不可能低于这个限制。在这种情况下，频率可能低于这个设定的限值。然而，在这种情况下，不可能听见噪声，因为这时的系统中的峰值电流也是低的。
本发明还有一个可替换实施例，即，一旦接收到指示，第一开关26直接导通。门控驱动电路32一旦从计时器接收到指示，门控驱动电路立即导通第一开关26。按照优选实施例的教导，这可能由合适的逻辑电路来实施。然后，变换器进入连续导通模式，这就直接地限制了频率。然而，这个实施例还存在一个问题，即，在输出侧的二极管20可能过热。
为了解决这个问题，本发明的第二实施例可以与上述的实施例之一组合，即，当频率变为设定频率或低于设定频率同时开关的导通时间也是由电流控制或电压控制限制时，第一开关26自动接通。这样就减小了二极管20的温度。
最后，描述按照本发明控制变换器的方法。在所述的方法中，描述通过电流控制来限制第一开关26的导通时间的方法，其中首先调节第一开关26，然后再调节第二开关54。这个方法进一步地可按照硬件形式来实施。
当变换器导通时，控制第一开关的方法开始。在此之后，这个开关导通。然后，在所加的电压(即在电容器48和检测电阻器44上的电压)和V50之间进行比较。如果所加的电压大于电压V50，第一开关截止。否则，再次进行比较。应当说明的是，如果没有低频率，电容器48的电压是0，比较只在检测电阻器44两端电压和V50之间进行，这是正常的操作模式。在此之后，检查是否存在导通第一开关26的信号。在优选实施例中，这是由以下的事实指示的变压器的初级绕组两端的电压发生零交叉。如果不存在这样的指示，进行新的检测(investigation)。然而，如果存在这样的指示，开关26再次导通，只要变换器导通，该方法就如以上所述地继续进行。
控制第二开关54的方法类似地当变换器导通时开始。然后，检查是否存在用于导通第一开关26的门控驱动信号的上升沿。如果存在这样的信号，计时器45通过检查频率开始进行操作；如果不存在这样的信号，该方法等待新的上升沿。在此之后，该方法继续检查第一开关26的频率。如果频率保持在大于某个设定水平或者不低于某个设定水平，第二开关54在先前是导通的条件下现在变为断开，并且再次检查是否存在门控驱动信号的上升沿。然而，如果频率低于这个水平，在优选实施例中的这个水平是20千赫兹，结果产生一个指示。然后，第二开关54在还没有导通的条件下变为导通。通过导通第二开关54，电容器48加载，电容器48的电压增加到检测电阻器44两端的电压，用于调节第一开关26的比较步骤。在此之后，恢复门控驱动信号的上升沿的检查。然后，该方法如以上所述继续进行。
如果本发明与进入连续导通模式和在指示之后导通第一开关的过程结合起来，就可以为导通第二开关54的步骤产生导通第一开关26的信号。如果本发明只用于使变换器进入连续导通模式，则可省去使第二开关54截止和导通的步骤，在调节第一开关26的比较步骤中不增加任何电压，即只比较检测电阻器两端电压与V50。
这种方法的优选实施例可总结如下。在功率变换器控制至少一个第一开关的方法包括如下步骤监视第一开关的切换频率，和对于第一开关进行控制，以使这个频率保持在大于产生可听噪声的某个水平。优选地，这样一种方法还包括下一个步骤指示所说的频率落入所说的水平的时间。优选地，所说的控制步骤还包括如下步骤在指示之后自动导通第一开关。优选地，所说的控制步骤还包括如下步骤限制第一开关的导通时间。优选地，导通时间通过直接PWM控制进行限制。优选地，导通时间通过限制流过第一开关的峰值电流进行限制。优选地，所说的控制步骤还包括如下步骤将一个电压增加到检测电阻器的电压上，使得通过第一开关的电流也流过的检测电阻器，并且比较增加的电压与一个基准电压，以便切断第一开关。优选地，增加电压是通过给电容器加载一个来自电流源的电流实现的。优选地，电流的加载是在所说指示时开始的。
因此，利用本发明，降低了来自变换器的可听噪声。当存在意外的操作环境时，如过功率、短路、启动、或断开变换器时，本发明都能正常地工作。已经介绍了在功率变换器中降低可听噪声的一种简单、廉价、和有效的方式。应当说明的是，上述的实施例说明了本发明，而不是限制本发明，在不偏离所附的权利要求书的范围的情况下，本领域的普通技术人员能够设计出许多可替换的实施例。在权利要求书中，在括号中的任何标号都不被认为是权利要求的限制。术语“包括”并不排除在权利要求中列出的元件或步骤以外的元件或步骤的存在。在元件之前的词“一个”并不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括几个不同的元件的硬件来实现，并且可借助于经过适当编程的处理器来实现。在列举几个装置的设备权利要求中，几个这样的装置可以用一个和相同类的硬件来实现。在相互不同的从属权利要求中列出了某些措施的事实并不表明不能利用这些措施的组合来获得好处。
权利要求
1.一种控制设备(28、28｀)，用于切换功率变换器(10)以减小可听噪声，功率变换器包括至少一个用于调节功率变换的开关(26)，控制设备包括监视装置(45)，用于监视开关(26)的切换频率，以指示切换频率下降到某个水平的时间；和调节装置(32)，用于根据监视装置(45)的监视结果调节开关(26)的切换，从而使所说的频率高于所说的某个水平以减小可听噪声的产生。
2.根据权利要求1所述的控制设备，其中设置调节装置(32)，使调节装置(32)在从监视装置(45)接收到一个指示时能直接导通所说的开关(26)。
3.根据权利要求1所述的控制设备，其中设置调节装置(32)，使调节装置(32)在从监视装置(45)接收到一个指示时能限制开关(26)的导通时间。
4.根据权利要求3所述的控制设备，其中设置调节装置(32)，使调节装置(32)通过直接PWM控制来限制开关(26)的导通时间。
5.根据权利要求3所述的控制设备，其中设置调节装置(32)，使调节装置(32)通过限制流过开关(26)的峰值电流来限制开关(26)的导通时间。
6.根据权利要求5所述的控制设备，进一步还包括一个第二开关(54)和比较装置(52)，比较装置将与流过开关(26)的电流对应的电压与使开关(26)导通和截止的基准电压进行比较，其中设置调节装置(32)，使调节装置(32)在从监视装置(45)接收到一个指示时接通第二开关(54)，用于为对应于流过开关(26)的电流的电压增加一个电压，从而可以限制流过开关(26)的峰值电流。
7.根据权利要求6所述的控制设备，进一步还包括一个电流源(56)，电流源(56)连接到第二开关(54)，第二开关(54)可以连接到电容器(48)，电容器可以连接到比较装置(52)和连接到开关(26)的源极，用于检测流过开关(26)的电流的检测电阻器(44)连接到开关(26)的源极，其中增加的电压由电容器(48)两端的电压和检测电阻器(44)两端的电压构成。
8.根据权利要求6所述的控制设备，其中设置调节装置(32)，使其在监视装置(45)还没有产生下次接通开关(26)的指示的条件下切断第二开关(54)。
9.一种开关式功率变换器，包括功率变换装置(14)；至少一个开关(26)，用于调节功率变换装置(14)；监视装置(45)，用于监视开关(26)的切换频率，以指示切换频率下降到某个水平的时间；和调节装置(32)，用于根据监视装置(45)的监视结果调节开关(26)的切换，从而使所说的频率高于所说的某个水平以减小在该变换器中可听噪声的产生。
10.在功率变换器中控制至少一个开关(26)的方法，该方法包括如下步骤监视(45)开关(26)的切换频率；控制(32)开关(26)以使切换频率保持高于产生可听噪声的某个水平。
全文摘要
本发明涉及一种用于开关式功率变换器(10)的控制设备(28)、开关式功率变换器、和控制功率变换器中的开关以减小可听噪声的方法。功率变换器包括控制设备(28)和至少一个开关(26)，用于调节功率变换。控制设备(28)包括计时器(45)，用于监视开关(26)的切换频率以指示频率下降到某个水平的时间；门控驱动电路(32)，它连接到计时器并且安排成可根据来自计时器的指示调节开关的切换，从而可将频率升高到所说的某个水平之上以减小可听噪声的产生。
文档编号H02M3/28GK1633743SQ03803836
公开日2005年6月29日 申请日期2003年1月27日 优先权日2002年2月14日
发明者W·H·M·兰格斯拉格, J·W·斯特里克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司