专利名称：频率抖动系统及方法
技术领域：
本发明属于集成电路设计技术领域，涉及一种频率抖动系统，尤其涉及一种
可用于开关电源的频率抖动系统；此外，本发明还涉及上述频率抖动系统的频率 才牛动方法。
背景技术：
电源变换器是电子系统中必不可少的组件。众所周知，电源变换起包括线形 变换器和开关电源变换器两种主要类型。大多数的用电设备都包含内部电源转换 器或者外部电源适配器，例如电视和计算机等产品中所使用的是内部电源转换 器，广泛应用于手机、DSL调制解调器、打印机、笔记本电脑及游戏机等领域的 是外部电源适配器，这些电源转换器或者适配器都是采用开关电源转换器以提供 电源之用。与线形变换器相比，开关电源变换器具有体积小、重量轻、效率高等 特点。然而，开关电源自身产生的电》兹干i尤(Electro-Magnetic Interference, EMI)信号占用很宽的频带和较强的幅度，如果控制不当会通过传导和辐射的方 式对周围设备产生电磁干扰，污染电磁环境，成为一个很强的电磁干扰源。如何 抑制或者改善开关电源的电磁干扰，使之符合相关电磁兼容标准的要求，成为开 关电源设计者的 一个重要课题。
请参阅图1,图1显示了一个广泛应用于开关电源的反激变换器(flyback converter)系统，用于交流(AC)转直流(DC)。该系统包括前端EMI滤波器，全 桥整流，功率控制器，变压器， 一次侧功率M0S开关和电流才企测电阻，次级整流 滤波，以及隔离反^t补偿网络。
图1中的前端EMI滤波器主要是抑制系统的传导EMI通过电网对其它用电设 备产生干扰，通常此EMI滤波器要消耗比较大的系统成本，尤其是大功率场合。 在小功率场合，开关电源变换器的系统成本是系统厂家首要考虑的因素，因此如 果采用体型较小的EMI滤波器或者取掉它，则能使系统成本大幅度下降。
步页率抖动(Frequency Jittering)或者频谱扩展(Frequency Shuffling)技术现在已广泛地应用于开关电源来改善系统的传导EMI性能。关于这方面的专 利和文献已有很多，比如美国专利6,556,463， 7,362,191,中国专利 200680004174.9，等等，在此不再——列举。
图2显示了可以应用在图l的采用电流模式控制的并且带频率抖动功能的功 率控制器，主要模块包括P觀比较器、斜率补偿、前沿消隐、振荡器、频率抖 动，RS触发器，软启动，过温度保护(OTP),过流保护(0CP)，逻辑运算，以 及驱动级。振荡器产生的时钟信号提供给RS触发器S端，逻辑输出控制RS触发 器的R端。频率抖动作用于系统振荡器，产生频率扰动，从而改善系统的传导 EMI。
频率抖动的思想就是频谱将系统从分立状态扩展到分散状态，即系统工作频 率并非固定不变，而是周期或者非周期地进行变化。假定系统基波频率变化幅度 为Af，则二次基波变化幅度为2Af…，N次谐波为NAf，可见谐波次数越高， 频率分散就越大。这样，系统频率谐波能量得以分散，从而使某个峰值谐波能量 下降，分散到其它频率上去，这样在整个频带上保证了足够的幅值裕量，从而满 足了 EMI要求。现在，很多功率控制芯片都把频率抖动集成了，这样一方面高效 可靠，另外也大幅度节省了系统成本。
目前为止，在开关电源领域，频率抖动或者频谱扩展的实施方法大致可以分 为两类 一类是连续频率抖动或者连续频i普扩展。利用外部一个变化的信号源 去扰动系统的振荡器频率，扰动源的信号变化是连续的。该方式的缺点是扰动源 的信号频谱变化范围有限，因此整体频率抖动效果不是很好。另一类是利用振荡 器产生固定数字序列，然后再经过数模转换器DAC (digital toanalog converter) 产生抖频信号来反馈控制振荡器，从而完成抖频功能，如图3所示。
上述第二种抖频方式，实现起来简单，因而现在广泛地应用到功率控制器中。
在上述采用固定数字序列的抖频方式的实现中，主要又分为两类 一类是固 定数字序列为伪随机序列，伪随机序列包括M序列，Gold序列，Walsh序列等， 其具体实现如图4所示。
图4中的抖频系统包括振荡器，伪随才儿序列发生器，数4莫转换器。其中，伪 随机序列发生器为N个寄存器带线形负反馈，在其输出选取M位作为输出提供给
5M位模数转换器。
采用图4中所述的系统作为抖频方式有个缺点因为其伪随机系列频语过于 白噪声化，所以会导致系统不太稳定。有鉴于此，4艮多开关电源系统采用第二类 固定数字周期序列，在实现上可以采用计数器抖频方式，如图5所示。
计数器输出为周期信号， 一般广泛应用的是周期三角波计数，其效果如图6。
图5和图6所示的固定数字周期序列^h频方式有两个缺陷(1)由于抖频是 周期重复的，所以频谱扩展效果相对来说会下降。(2)抖频重复周期的选择值有 可能和系统带宽产生冲突。如果抖频重复周期很低，则完全有可能落在系统带宽 以内，从而造成系统不大稳定，甚至产生可闻噪声(audio noise)。
图3至图6所示的固定数字序列抖频方式还有两个缺陷第一，频谱抖动效 果不灵活。因为抖动方式是固定的，产生的频谱扩展效果也是固定的，所以如果 在进行EMI测试时，如果某个频率点能量高，导致EMI裕量很小，则这种抖频方 式无法调节，这样在很多情况下会使系统EMI测试得不到通过。第二，固定数字 序列抖频方式还有一个缺陷频谱抖动效果不能随着系统输出功率的大小自适应 地进行调节。比如系统在满载时，需要将频率抖动幅度增大，这样可以方便地通 过系统EMI测试。在轻载时，需要将频率抖动幅度减小，这样可以使系统轻载时 稳定性提高。因为系统EMI测试基本上都是在满载，而轻载时系统一方面对EMI 要求不高，令一方面系统轻载时稳定性都下降，尤其空载时系统处在间歇工作模 式(burst mode),这时频率抖动会恶化系统的稳定性。
综上所述，目前为止所有抖频方式都不尽如人意，所以迫切需要一种新的系 统和方法解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种频率抖动系统，通过混合抖频的方 式保证系统的稳定运行。
另外，本发明还提供上述频率抖动系统的频率抖动方法。 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案
一种频率抖动系统，用于控制开关电源系统的频率抖动；该频率抖动系统包括
振荡器，用以输出产生若干个数字序列；所述数字序列中，包括周期序列及 伪随机序列；
加权运算模块，与所述振荡器连接，用以对所述若干个数字序列做加权运算； 数模转换器，与所述加权运算模块、振荡器连接，用以把所述加权运算模块 的输出信号转换为模拟信号，该模拟信号用来控制所述振荡器的频率。
作为本发明的一种优选方案，所述系统还包括连接所述数模转换器及振荡器 的模拟信号处理模块；该模拟信号处理模块的输入信号为所述数模转换器的输出 及直接或间接代表开关电源系统功率输出的连续信号；利用所述连续信号来控制 数模转换器的输出，以使系统在满载时频率抖动幅度增加，在轻载时频率抖动幅 度减小。
作为本发明的一种优选方案，所述模拟信号处理;漠块为^^拟乘法器。所述直 接或间接代表开关电源系统功率输出的信号为系统反馈电压VFB或者功率控制 器的VDD。
作为本发明的一种优选方案，所述加权运算^f莫块对所述若干个数字序列做简 单数字相加。
一种上述频率抖动系统的频率抖动方法，其特征在于，该频率抖动方法包括 如下步骤
A、 所述振荡器输出产生若干个数字序列；所述数字序列中，包括周期序列 及伪随机序列；
B、 所述加权运算模块对所述若干个数字序列做加权运算；
C、 所述数模转换器把所述加权运算模块的输出信号转换为模拟信号，该模 拟信号用来控制所述振荡器的频率。
作为本发明的一种优选方案，所述系统还包括连接所述数模转换器及振荡器 的模拟信号处理模块；该模拟信号处理模块的输入信号为所述数模转换器的输出 及直接或间接代表开关电源系统功率输出的连续信号；利用所述连续信号来控制 数模转换器的输出，以使系统在满载时频率抖动幅度增加，在轻载时频率抖动幅 度减小。
7作为本发明的一种优选方案，所述模拟信号处理模块为模拟乘法器；所述直 接或间接代表开关电源系统功率输出的信号为系统反馈电压VFB或者功率控制 器的VDD。
作为本发明的一种优选方案，所述加权运算模块对所述若干个数字序列做简 单数字相加；每个数字序列为周期序列，或为伪随机序列。
本发明的有益效果在于本发明提出的频率抖动系统及方法，通过混合抖频 的方式产生频率抖动，为系统提供灵活的、最佳的抖频方式。
第一，本发明为系统提供灵活的抖频方式，这个主要通过改变数字序列的加 权系数以及数字序列的频率来实现。传统的抖频方式是固定的而且是单一的，其 抖频效果也是单一的；所以系统有可能在进行EMI测试时，存在某些频率点EMI 裕量不够。
本发明通过混合抖频方式，使数字序列的产生不再单一化，从而在不同的序 列中可以改变有些序列的频率和加权系数，从而使系统的频谱能量在整个频率范 围内均匀化，不再出现固定序列方式抖频中出现的某些频率点能量过高从而EMI 裕量太小的情形。
第二，本发明可以给系统提供最佳的抖频方式。众所周知，EMI测试主要在 满载时，轻载时EMI相对于满载来说裕量更大，所以如果系统满载EMI通过测试， 轻栽一般也容易通过。传统的抖频方式采用的抖频幅度是恒定的，这样系统在轻 载时由于抖频会增加系统不稳定，尤其是在系统接近空载时处在间歇工作模式 (burst mode )。 所以最佳的抖频方式是抖频幅度能够随系统功率大小能够自动 调节，在满载时，抖频幅度增大，这样容易使系统通过EMI测试，在轻载时减小 抖频幅度，使系统在轻载时的稳定性增加，如图9所示。在本发明中，通过把系 统反馈电压VFB或者VDD引入系统中，从而实现上述目的，因为系统反^i:贵电压 VFB或者功率控制器的VDD直接或者间接地代表了系统功率输出的大小。
图1为广泛应用于开关电源的反激变换器系统。
8图2为可以应用在图1的采用电流模式控制的并且带频率抖动功能的功率控 制器。
图3为一现有的频率^j"动系统。
图4为一现有的频率抖动系统。
图5为一现有的频率抖动系统。
图6为计数器输出为周期信号。
图7为本发明提出的一种频率抖动系统。
图8为本发明提出的一种频率抖动系统。
图9为本发明提出的一种频率抖动系统。
图IO为本发明提出的一种频率抖动系统。
图11为本发明频率抖动方法的流程图。
图12为本发明抖频方式与传统抖频方式的效果对比示意图。
图13为本发明抖频方式与传统抖频方式的效果对比示意图。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。 实施例一
请参阅图7，本发明揭示了一种频率抖动系统，其思想是混合抖频。该频率 抖动系统用于控制开关电源系统的频率抖动，其包括振荡器、加权运算模块、数 模转换器。
振荡器用以输出产生若干个数字序列；所述数字序列中，包括周期序列及伪 随机序列。
加权运算模块与所述振荡器连接，用以对所述若干个数字序列做加权运算。 数模转换器与所述加权运算模块、振荡器连接，用以把所述加权运算模块的
输出信号转换为模拟信号，该模拟信号用来控制所述振荡器的频率。
作为本发明的一种实现方式，所述加权运算^=莫块可以对所述若干个数字序列
做简单数字相加。或者，通过设置加权系数；请参阅图8， al-an为加权系数。
9以上介绍了本发明的频率抖动系统，本发明同时揭示了上述频率抖动系统的 频率抖动方法。
请参阅图ll,该频率抖动方法包括如下步骤
A、 所述振荡器输出产生若干个数字序列；所述数字序列中，包括周期序列 及伪随机序列。
B、 所述加权运算模块对所述若干个数字序列做加权运算；作为本发明的一 种实现方式，所述加权运算模块对所述若干个数字序列做简单数字相加。
C、 所述数模转换器把所述加权运算模块的输出信号转换为模拟信号，该模 拟信号用来控制所述4展荡器的频率。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述系统还包括连接所述数
模转换器及振荡器的才莫拟信号处理模块；该才莫拟信号处理;溪块的输入信号为所述
数模转换器的输出及直接或间接代表开关电源系统功率输出的连续信号；利用所 述连续信号来控制数模转换器的输出，以使系统在满载时频率抖动幅度增加，在 轻载时频率抖动幅度减小。
图9是依据本发明提出的一种新的频率抖动系统。其思想是混合连续抖频和 序列抖频。相对于图7所述的频率抖动系统，该频率抖动系统增加了一个模拟信 号处理模块。
此模拟信号处理模块输入信号为某个连续信号(直接或者间接代表开关电源 系统功率输出水平)和数模转换器的输出，此模拟信号处理模块的输出用来控制 振荡器。利用连续信号(系统反馈电压VFB或者功率控制器的VDD)来控制数模转 换器的输出，从而能够使系统在满载时频率抖动幅度增加，在轻载时频率抖动幅 度减小。
图9中，振荡器输出产生N个数字序列，每个序列可以是周期序列，也可以 是伪随机序列，N个序列输出做加权运算，其输出送到数模转换器，数模转换器 的输出送到模拟信号处理模块，模拟信号处理模块同时还接收系统反馈电压VFB
10或者VDD，模拟信号处理模块的输出直接来控制振荡器频率。
通过图9可以看到本发明的所提出的混合抖频方式的含义本发明中数模转 换器的输入信号为混合数字序列，其产生是通过N个数字序列进行加权运算而产 生的，这些数字序列可以是周期数字序列或者是伪随机序列。另外本发明的振荡 器频率可以受系统反々贵电压VFB或者VDD调制，而VFB或者VDD为连续才莫拟信号。 所以本发明从另外 一个角度来说又是数字序列和模拟信号的混合调制来实现抖 频。
本发明的具体实施例可以有很多变种，比如图7所示，系统可以只采用纯粹 的混合数字序列抖频，而无连续模拟信号调制，因为有些情况下，系统轻载可能 不存在稳定性问题，所以为了系统简化，可以省去模拟信号处理模块。
综上所述，本发明提出的频率抖动系统及方法，通过混合抖频的方式产生频 率抖动，为系统提供灵活的、最佳的抖频方式。 本发明的优点主要有两点
第一，为系统提供灵活的抖频方式，这个主要通过改变数字序列的加权系数 以及数字序列的频率来实现。传统的抖频方式是固定的而且是单一的，其抖频效 果也是单一的。所以系统有可能在进行EMI测试时，存在某些频率点EMI裕量不 够，如下图12所示。
通过混合抖频方式，使数字序列的产生不再单一化，从而在不同的序列中可 以改变有些序列的频率和加权系数，从而使系统的频i普能量在整个频率范围内均 匀化，不再出现固定序列方式抖频中出现的某些频率点能量过高从而EMI裕量太 小的情形。
本发明的另一个优点为可以给系统提供最佳的抖频方式。众所周知，EMI 测试主要在满载时，轻载时EMI相对于满载来说裕量更大，所以如果系统满载 EMI通过测试，轻载一般也容易通过。传统的抖频方式采用的抖频幅度是恒定的， 这样系统在轻载时由于抖频会增加系统不稳定，尤其是在系统接近空载时处在间 歇工作模式(burst mode)。 所以最佳的抖频方式是抖频幅度能够随系统功率大 小能够自动调节，在满载时，抖频幅度增大，这样容易使系统通过EMI测试，在
ii轻载时减小抖频幅度，使系统在轻载时的稳定性增加，如图13所示。在本发明 中，通过把系统反馈电压VFB或者VDD引入系统中，从而实现上述目的，因为系 统反馈电压VFB或者功率控制器的VDD直接或者间接地代表了系统功率输出的大
实施例三
请参阅图10，本实施例与实施例二的区別在于，本实施例中，所述模拟信 号处理模块可为模拟乘法器。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实 施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技 术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚 的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结 构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和 精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
权利要求
1、一种频率抖动系统，其特征在于，用于控制开关电源系统的频率抖动；该频率抖动系统包括振荡器，用以输出产生若干个数字序列；所述数字序列中，包括周期序列及伪随机序列；加权运算模块，与所述振荡器连接，用以对所述若干个数字序列做加权运算；数模转换器，与所述加权运算模块、振荡器连接，用以把所述加权运算模块的输出信号转换为模拟信号，该模拟信号用来控制所述振荡器的频率。
2、 根据权利要求1所述的频率抖动系统，其特征在于所述系统还包括连接所述数模转换器及振荡器的模拟信号处理模块； 该模拟信号处理模块的输入信号为所述数模转换器的输出及直接或间接代表开关电源系统功率输出的连续信号；利用所述连续信号来控制数模转换器的输出，以使系统在满载时频率抖动幅度增加，在轻载时频率抖动幅度减小。
3、 根据权利要求2所述的频率抖动系统，其特征在于所述模拟信号处理模块为模拟乘法器。
4、 根据权利要求2所迷的频率抖动系统，其特征在于所述直接或间接代表开关电源系统功率输出的信号为系统反馈电压VFB 或者功率控制器的VDD。
5、 根据权利要求l至4之一所述的频率抖动系统，其特征在于所述加权运算模块对所述若千个数字序列做简单数字相加。
6、 一种权利要求1至5之一所述频率抖动系统的频率抖动方法，其特征在于， 该频率抖动方法包括如下步骤A、 所述振荡器输出产生若干个数字序列；所述数字序列中，包括周期序 列及伪随机序列；B、 所述加权运算模块对所述若干个数字序列做加权运算；C、 所述数模转换器把所述加权运算模块的输出信号转换为模拟信号，该 模拟信号用来控制所述振荡器的频率。
7、 根据权利要求6所述的频率抖动方法，其特征在于所述系统还包括连接所述数模转换器及振荡器的模拟信号处理模块； 该模拟信号处理模块的输入信号为所述数模转换器的输出及直接或间接代表开关电源系统功率输出的连续信号；利用所述连续信号来控制数模转换器的输出，以使系统在满载时频率抖动幅度增加，在轻载时频率抖动幅度减小。
8、 根据权利要求7所述的频率抖动方法，其特征在于所述模拟信号处理模块为模拟乘法器；所述直接或间接代表开关电源系统功率输出的信号为系统反馈电压VFB 或者功率控制器的VDD。
9、 根据权利要求6所述的频率抖动方法，其特征在于所迷加权运算模块对所述若干个数字序列做简单数字相加； 每个数字序列为周期序列，或为伪随^/L序列。
全文摘要
本发明揭示了一种频率抖动系统及方法，该频率抖动系统包括振荡器、加权运算模块、数模转换器。振荡器用以输出产生若干个数字序列；所述数字序列包括周期序列及伪随机序列；加权运算模块与所述振荡器连接，用以对所述若干个数字序列做加权运算；数模转换器与所述加权运算模块、振荡器连接，用以把所述加权运算模块的输出信号转换为模拟信号，该模拟信号用来控制所述振荡器的频率。本发明提出的频率抖动系统及方法，通过混合抖频的方式产生频率抖动，可以为系统提供灵活的、最佳的抖频方式。
文档编号H02M1/44GK101651411SQ200910195698
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者俊 叶, 林官秋, 胡伟明 申请人:上海导向微电子有限公司