开关电源中减小声频的方法和设备的制作方法

开关电源中减小声频的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本申请涉及开关电源中减小声频的方法和设备。公开了一种开关电源的开关的设备和方法。根据本发明的方面，一种方法包括控制开关电源的开关，以在开关操作循环内接通和切断。该开关操作循环具有基本固定周期。通过无开关的时间，将一组连续的开关操作循环与下一组连续的开关操作循环分离。每一组连续的开关操作循环具有两个或更多开关操作循环的至少预定最小值。在闭环内调节无开关的时间，以调整开关电源的输出。
【专利说明】开关电源中减小声频的方法和设备[0001]本申请是申请日为2007年9月30日、申请号为200710192931.6且发明名称为“开关电源中减小声频的方法和设备”的发明专利申请的分案申请。【技术领域】[0002]本发明通常涉及电源，尤其涉及开关调节器。【背景技术】[0003]电子设备使用电源进行操作。在许多今天的电子设备中，通常由于开关模式电源 的高效率和它们对功率的好的输出调节而被使用。在一种公知的开关电源中，使用开关模 式电源控制电路可以将低频(例如50或60Hz电源频率)，高压交流电流(AC)转化为高频 (例如30到300kHz) AC。这种高频、高压AC被应用到变压器，以将电压通常转化为更低的 电压，并且提供安全隔离。变压器的输出被整流以提供调整的DC输出，该调整的DC输出可 以用于为电子设备提供功率。开关模式电源控制电路通常通过在闭环中检测输出并且控制 所述输出来提供输出调节。[0004]开关电源的设计是对效率、尺寸、重量和成本的矛盾需求的一种折衷设计。提供额 定输出功率的最佳解决方案通常将开关频率设为比20kHz更高，超出人类听觉的范围。[0005]调节的需要要求电源在诸如备用负载的低负载处以高频运行，并且在无负载时消 耗非常低的功率。当电源提供比它的额定功率小的多的功率时，电源中的能量损耗受来自 开关动作的损耗控制。因此，对于电源来说，当输出功率低得可以减少主要损耗时，在更低 的开关频率上操作是必须的。当减少负载以保持高效时，开关频率可以线性减小。在低功 率上的最佳开关频率通常落在20kHz以下的声频带内。由于机械共振，声频带内的开关会 在电源组件例如变压器和陶瓷电容器内产生不受欢迎的声频噪音。[0006]一种可以减少开关损耗并提高在轻负载处的效率的公知技术是，在轻负载处以触 发模式(burst mode)操作电源。触发模式操作允许电源在高的开关频率上开关不受控制 数量的连续的开关操作循环，后面有一个在闭环中无开关调节的持续期间，以调整输出。因 此，减少了平均开关频率，以保持在轻负载上的高效率。触发模式开关的不良特性就是，对 于给定的一组操作条件，不管是处于触发中的连续的高频开关操作循环的数量，还是在触 发之间无开关的连续的循环的数量，都未被确定。触发模式操作的不确定特性导致了未受 控制的声频噪音的危害。实际上，由于更高的声频能量内容，如果后面跟有无开关期间的连 续开关操作循环的持续时间的重复频率处在声频，则声频噪音比只线性减少频率的情况更 糟，如前面描述的。声频噪音是使用触发模式操作用来改进轻负载效率和减少无负载消耗 的主要缺点。[0007]在开关电源中的其中一个最麻烦的噪音源是变压器。在开关电源中通常应用的铁 氧体磁心变压器倾向于具有8kHz到15kHz范围的机械共振频率。一些陶瓷电容器，尤其是 使用在箝位电路中与行逆程高压电源中的变压器的初级绕组连接的那些陶瓷电容器还可 以在这样的声频上共振。
【发明内容】
[0008]根据本发明的一个方面，提供了一种用于电源的控制器，该控制器包括:开关信号 产生器，耦接来产生用于控制所述电源的开关的开关的开关信号；调制电路，耦接来响应于 开关频率信号向所述开关信号产生器提供调制开关信号，该开关频率信号表示所述电源的 输出在调节中时所述开关的等效开关频率，其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效 开关频率大于参考频率，所述调制电路调制所述调制开关信号的周期以改变所述开关信号 的开关周期，并且其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效开关频率小于所述参考频 率，所述调制电路固定所述调制开关信号的周期以固定所述开关信号的开关周期；耦接到 所述开关信号产生器的多周期调制器电路，其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效 开关频率大于所述参考频率，所述多周期调制器电路启用所述开关信号产生器提供不中断 的开关信号，并且其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效开关频率小于所述参考频 率，所述多周期调制器电路在第一时间段内禁止所述开关信号产生器，然后在第二时间段 内启用所述开关信号产生器，其中所述多周期调制器改变所述第一时间段以调节所述电源 的输出。[0009]根据本发明的另一方面，提供了一种用于电源调节器的控制器，包括:反馈电路， 耦接来响应于来自电源调节器输出的检测信号而产生等效开关频率信号；比较器，耦接来 将所述等效开关频率信号与参考信号进行比较；周期调制电路，耦接到所述反馈电路以响 应于所述等效开关频率信号而产生周期调制开关信号；以及耦接到所述比较器的输出的多 周期调制器电路，所述多周期调制器电路耦接来启用或禁止来自耦接到所述电源调节器的 开关的控制器的开关信号，其中，两个或更多连续的开关操作循环的一组与具有两个或更 多开关操作循环的下一组被无开关的时间分离，其中，在闭环中调节所述无开关的时间，以 调整从电源调节器输入到电源调节器输出的能量传输。[0010]根据本发明的另一方面，提供了一种用于电源调节器的控制器，该控制器包括:开 关信号产生器，耦接来产生用于控制所述电源调节器的开关的开关的开关信号；调制电路， 耦接来响应于指示所述电源调节器的输出处的负载情况的反馈信号向所述开关信号产生 器提供脉宽调制开关信号，其中，响应于所述反馈信号指示所述负载情况是轻负载情况，所 述调制电路调制所述脉宽调制开关信号的占空比以在所述开关中提供固定峰值开关电流， 并且其中，响应于所述反馈信号指示所述负载情况不是轻负载情况，所述调制电路调制所 述脉宽调制开关信号的占空比以在所述开关中提供与所述反馈信号成比例的可变峰值开 关电流；以及耦接到所述开关信号产生器的多周期调制器电路，其中，响应于所述反馈信号 指示所述负载情况不是轻负载情况，所述多周期调制器电路启用所述开关信号产生器提供 不中断的开关信号，并且其中，响应于所述反馈信号指示所述负载情况是轻负载情况，所述 多周期调制器电路在第一时间段内禁止所述开关信号产生器，然后在第二时间段内启用所 述开关信号产生器，其中响应于所述反馈信号而调节所述第一时间段以调整输出。[0011]根据本发明的另一方面，提供了一种用于电源调节器的控制器，包括:反馈电路， 耦接来响应于来自电源调节器输出的检测信号而产生对应于峰值开关电流的反馈电流信 号；比较器，耦接来将所述反馈电流信号与参考电压进行比较；调制电路，耦接到所述反馈 电路以响应于所述反馈电流信号和所述参考电压而产生具有固定开关频率的脉宽调制开关信号；以及耦接到所述比较器的输出的多周期调制器电路，所述多周期调制器电路耦接 来启用或禁止来自耦接到所述电源调节器的开关的控制器的开关信号，其中，两个或更多 连续的开关操作循环的一组与具有两个或更多开关操作循环的下一组被无开关的时间分 离，其中，在闭环中调节所述无开关的时间，以调整从电源调节器输入到电源调节器输出的 能量传输。[0012]根据本发明的另一方面，提供了一种用于调整开关电源的设备，包括:耦接到电源 的能量传输元件的开关；以及耦接到所述开关的控制器，用于控制所述开关在开关操作循 环内的接通和切断，其中该控制器被配置为在第一操作模式中通过无开关的时间将具有多 个连续的开关操作循环的第一组与具有连续开关操作循环的下一组分离，并且其中，连续 的开关操作循环的数量被在闭环中调节，以调整从所述电源的输入到所述电源的输出的能 量传输。[0013]根据本发明的另一方面，提供了一种电源调节器，包括:能量传输元件，耦接来接 收所述电源调节器的输入电压；耦接到所述能量传输元件的开关，其中该开关响应于开关 信号而接通和切断；以及控制器，耦接来向所述开关提供所述开关信号，以调节所述电源调 节器的输出处的输出量。所述控制器包括:开关信号产生器，耦接来响应于脉宽调制(PWM) 开关信号并响应于使能/禁止信号而产生所述开关信号；调制电路，耦接来响应于指示所 述电源调节器的输出处的负载情况的反馈信号向所述开关信号产生器提供所述PWM开关 信号，其中，响应于所述反馈信号指示所述负载情况是轻负载情况，所述调制电路调制所述 PWM开关信号的占空比以在所述开关中提供固定峰值开关电流，并且其中，响应于所述反馈 信号指示所述负载情况不是轻负载情况，所述调制电路调制所述PWM开关信号的占空比以 在所述开关中提供与所述反馈信号成比例的可变峰值开关电流；以及多周期调制器电路， 耦接来向所述开关信号产生器提供所述使能/禁止信号，其中，响应于所述反馈信号指示 所述负载情况不是轻负载情况，所述使能/禁止信号启用所述开关信号产生器提供不中断 的开关信号，并且其中，响应于所述反馈信号指示所述负载情况是轻负载情况，所述使能/ 禁止信号在第一时间段内禁止所述开关信号产生器，然后在第二时间段内启用所述开关信 号产生器，其中调节所述第一时间段以调整输出。[0014]根据本发明的另一方面，提供了一种电源调节器，包括:能量传输元件，耦接来接 收所述电源调节器的输入电压；耦接到所述能量传输元件的开关，其中该开关响应于开关 信号而接通和切断；以及控制器，耦接来向所述开关提供所述开关信号，以调节所述电源调 节器的输出处的输出量。所述控制器包括:开关信号产生器，耦接来响应于调制开关信号 并响应于使能/禁止信号而产生所述开关信号；调制电路，耦接来响应于开关频率信号向 所述开关信号产生器提供所述调制开关信号，该开关频率信号表示所述电源的输出量在调 节中时所述开关的等效开关频率，其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效开关频率 大于参考频率，所述调制电路调制所述调制开关信号的周期以改变所述开关信号的开关周 期，并且其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效开关频率小于所述参考频率，所述调 制电路固定所述调制开关信号的周期以固定所述开关信号的开关周期；以及多周期调制器 电路，耦接来向所述开关信号产生器提供所述使能/禁止信号，其中，响应于所述开关频率 信号指示所述等效开关频率大于所述参考频率，所述使能/禁止信号启用所述开关信号产 生器提供不中断的开关信号，并且其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效开关频率小于所述参考频率，所述使能/禁止信号在第一时间段内禁止所述开关信号产生器，然后 在第二时间段内启用所述开关信号产生器，其中所述多周期调制器改变所述第一时间段以 调节所述电源的输出。【专利附图】

【附图说明】[0015]参考附图描述了本发明的非限制和非穷举的实施例，其中相同的参考标记在所有 不同附图中都指代相同的部分，除非另有特定的说明。[0016]图1A是一般地示出了给负载提供功率的实例开关电源的结构图。[0017]图1B是一般地示出了图1A中的实例开关电源的开关电流波形的实例的图表。[0018]图2是实例流程图，通常示出了根据本发明的教导，给负载提供功率的实例开关 电源的操作的采样流。[0019]图3A是实例示意性图，通常示出了根据本发明的教导，给负载提供功率的实例开 关电源的实例控制器。[0020]图3B是实例示意性图，通常示出了根据本发明的教导，固定频率峰值电流PWM调 制器和选择操作模式的选择器比较器电路。[0021]图4是另一实例流程图，通常示出了根据本发明的教导，给负载提供功率的实例 开关电源的操作的采样流。[0022]图5是另一实例示意性图，通常示出了根据本发明的教导，给负载提供功率的实 例开关电源的实例控制器。[0023]图6A是一般地示出了根据本发明的教导，在周期调制模式中操作的开关电源的 能量传输元件的磁通密度的图表。[0024]图6B是一般地示出了根据本发明的教导，以高频操作的开关电源的能量传输元 件中局部频谱实例的图表。[0025]图6C是一般地示出了根据本发明的教导，在无多周期调制的情况下以低频操作 的开关电源的能量传输元件中局部频谱实例的图表。[0026]图7A是一般地示出了根据本发明的教导，在多周期调制模式中操作的开关电源 的能量传输元件中磁通密度实例的图表。[0027]图7B是一般地示出了根据本发明的教导，在多周期调制模式中操作的开关电源 的能量传输元件中局部频谱实例。[0028]图8A是一般地示出了根据本发明的教导，开关电源的能量传输元件中未调制磁 通密度信号的实例的图表。[0029]图SB是一般地示出了根据本发明的教导，开关电源的多周期调制器信号的实例。[0030]图SC是一般地示出了根据本发明的教导，多周期调制器信号的复数傅立叶级数 表示的正频率和负频率的系数相对值的图表。[0031]图9是一般地示出了根据本发明的教导，实例未调制的开关信号和多周期调制器 信号的实例频谱如何结合以产生多周期调制信号的实例频谱的图表。【具体实施方式】[0032]公开了一种在开关电源中可以在减小声频的同时能够保持高效率的方法和设备。在下面的描述中，为了提供对本发明的彻底的了解，提出了大量特定的细节。然而，对于本 领域技术人员显而易见的是，要实现本发明不需要应用特定的细节。在其它实例中，为了避 免混淆本发明，未详细描述公知的材料或方法。[0033]整个发明中“一个实施例”，“一实施例”，“一个实例”，“一实例”等等都意味着根据 实施例或者实例的特定特征，结构或者特性包含在本发明的至少一个实施例或者实例中。 这样，本发明中不同地方出现的短语“在一个实施例中”，“在一实施例中”，“一个实施例”或 者“一实施例”没必要都参考相同的实施例或者实例。另外，特殊的特征，结构或者特性可 以以任何适当的组合和/或子组合在一个或多个实施例或者实例中结合。另外，应当理解 的是，提供的附图是出于对本领域技术人员解释的目的，这些图没必要按比例制图。[0034]如将要进行讨论的，公开的是电源开关的开关实例，它们可以大大地减少电源组 件在声频的机械性激励，同时保持开关在同等声频上的优点。根据不同的实例，具有短周期 的开关操作循环集中到多个组中，该多个组由无开关的间隔分开。根据本发明的教导，通过 控制组的持续时间和开关的开关操作循环的多个组之间的无开关的持续时间，实现开关电 源的输出调整。[0035]为了阐述，图1A示出了通常的实例开关电源调节器100的功能性结构图。应当注 意，图1A中示出的实例开关电源调节器100是返馈开关式电压调节器，它是可以从本发明 的教导中受益的开关电源拓扑的其中一个实例。然而，应当理解的是，从本发明的教导中受 益的也可以是开关电源调节器的其它已知的拓扑和结构。[0036]图1A中的实例开关电源调节器100从未调节的输入电压Vin105提供输出功率给 负载165。输入电压VIN105耦接到能量传输元件T1125和开关S1120。在图1A的实例中， 能量传输元件Tl 125是具有两个绕组的变压器。箝位电路110耦接到能量传输元件Tl 125 的初级绕组，以控制开关S1120上的最大电压。开关S1120响应于从控制器电路或者控制 器145接收到的开关信号112接通和切断。在示出的实例中，开关S1120是晶体管，控制器 145包括集成电路和/或离散的电子元件。在操作中，开关S1120的开关在整流器D1130中 产生了脉动电流，该电流由电容器Cl 135滤波以在负载165上产生基本恒定的输出电压V。 或者输出电流L。[0037]将被调节的输出量是队150，通常是输出电压Vtj、输出电流Itj或者它们二者的组 合。耦接反馈电路160以检测来自电源输出的输出量队150，以产生输入到控制器145的反 馈信号Ufb155。另一个到控制器145的输入是电流检测信号140，该信号检测开关S1120中 的电流Id115。许多公知的测量开关电流方法中的任何一个方法，例如电流变压器或者离散 电阻器上的电压或者当晶体管导通时该晶体管上的电压，都可以用于测量电流Id115。[0038]在图1A的实例中，控制器145响应于系统输入来操作开关S1120，以基本上调节输 出量队150到其期望值。因此在闭环中调节电源的输出。控制器145通常包括，定义具有 周期Ts的开关操作循环的振荡器。可以通过控制一个或多个开关参数来实现调节，该参数 可以确定从电源调节器100的输入传输到输出的能量数量。[0039]图1B是一般地示出电流Id115随着时间变化的函数的图。在一个实施例中，开关 S1120在每一开关操作循环的开始都开启。开关S1120导通，直到电流ID115达到阈值1_。 在一个实例中，在恒定开关操作循环周期Ts (恒定开关频率)控制最大电流Imax,保持了电 流Id115的平均值位于调节输出量队150所要求的值。该调节因此通过固定频率脉冲宽度调制技术实现，该技术作为固定频率峰值电流脉冲宽度调制(PWM)或者固定频率电流模式 控制而公知。在另一实例中，调节可以通过改变在固定频率上的开关的导通时间实现。这 种控制模式作为固定频率电压模式控制或者固定频率电压模式PWM而公知。虽然电压模式 是与源自用于调节电源输出电压的电压模式关联，但是该术语继续用于描述相同的控制模 式，即使是当被调节的输出是电流或者电压和电流的组合。术语固定频率PWM覆盖了电流 模式和电压模式在固定频率的控制操作。在另一实例中，调节可以由PWM的另一形式实现， 其作为周期调制或者开关频率调制而公知，其中开关中的电流在每一个开关操作循环达到 固定的峰值，并且调节周期Ts。在响应于电流Id的低平均值的轻负载中，期望在更低的开 关频率进行操作，通常在声频范围内，以减少电源中的开关损耗。上面所有的三种调制技术 都包括占空比的调制，并且因此被称为通用的术语“占空比调制”。[0040]在实际应用中，调节输出量队150所需的电流ID115的平均值可能不是一个开关操 作循环上的平均值，而是包括许多开关操作循环的一段时间上的平均值。该许多开关操作 循环不需要具有相同的周期值。包含不同周期值的开关操作循环的许多不同序列可以产生 平均电流ID115，该平均电流ID115在指定的限制内调节输出量队150。[0041]期望的是，控制开关操作循环的周期值和序列以避免可以产生声频噪音的多种频 率。如在本发明后面将要描述的，根据本发明的教导，可能产生声频噪音的声频值基本上通 过将开关操作循环聚集为多个循环的组而减小，可以调制这些多个循环的组以调节输出。[0042]图2是实例流程图，一般地描述了根据本发明教导的一种用于控制电源的方法。 从块205开始，在块210中发生电源输出检测。[0043]接下来，在块215中，控制器使用从电源输出检测到的信息来估算峰值电流Ipk，该 峰值电流是以固定开关操作循环Ts调节输出所需要的。下面，估算的峰值电流Ipk与最小 峰值电流Ipkmin在判定块220进行比较。在一个实例中，最小峰值电流Ipkmin对应于需要减 少平均开关频率以减少开关损耗的轻负载。[0044]峰值电流Ipk的估算和与最小峰值电流Ipkmin的比较不需要精确或者数字计算的结 果。在一个实例中，峰值电流Ipk是从反馈信号的值而估算的。在一个实例中估算的前提 就是大的反馈信号指一个轻负载，这需要声频范围内的开关频率以满足高效率的需要，声 频范围内的开关频率会产生讨厌的多种电平的声频噪音。在这些情况下，判定块220判定 Ipkmin > Ipk，流程就会转到块230。在块230中，峰值电流Ipk被固定在值Ipkmin,开关操作循 环周期Ts固定在值Tsg。然后使用块235中的多周期调制实现调节。[0045]如在块235中所示的，多周期调制通过聚集开关信号中的N个开关周期来实现输 出的调节，每一个开关周期都具有周期Tse，紧跟着无开关的M个Tse周期。在实例中，N和M 都是可以调节的，分别限制在最小值Nmin和Mmin。开关信号中的开关和无开关的最终模式在 图1A中给出了相同的平均电流ID115，其中在固定开关操作循环周期具有不中断的开关，该 固定开关操作循环周期对应于可以产生更大开关损耗和降低效率的更高的开关频率。在实 例中，根据本发明教导的具有多周期调制的开关模式实质上产生了，比使用普通峰值电流 脉宽调制的未分组模式更少的声频噪音。[0046]如果判定块220判定Ipkmin ( Ipk，那么流程直接到块225，以便通过在固定开关频 率的峰值电流PWM而不是多周期调制来实现调节。在一个实施例中，Ipkmin被设为接近电源 最大输出功率的峰值电流的25%。在一个实施例中，固定开关频率为30kHz。在一个实例中，根据本发明的教导，多周期调制可以用于调节低输出功率的传递，而以固定频率峰值电 流模式控制而公知的固定频率峰值电流PWM可被用于调节更高的输出功率的传递。[0047]这样，在一个实例中，依靠峰值开关电流Ipk和最小峰值开关电流Ipkmin之间的关 系，可以根据第一或第二操作模式控制开关导通。在第一操作模式中，在开关操作循环的固 定周期内控制开关以导通，调节开关操作循环的固定周期内的峰值开关电流以调整电源输 出。可替代的，在第二操作模式中，在具有固定周期的开关操作循环内控制开关以导通，一 组连续的开关操作循环与下一组连续的开关操作循环被无开关的时间分离，调节无开关的 时间以调整电源输出。在实例中，可以调节无开关的时间，以便开关操作循环的频率落在声 频范围之外。在一个实例中，开关操作循环的组包括至少两个连续的开关操作循环。[0048]在一个实例中，根据本发明的教导,可以应用固定频率电压模式PWM而不应用峰 值电流模式PWM来调节更高功率的传递。在该实例中，使用PWM还是多周期调制的判定可 以基于开关的导通时间而不是在调节中保持输出所需要的峰值电流。例如，当响应于反馈 信号，导通时间减少并且与指示轻负载的阈值交叉时，操作从固定频率电压模式PWM改变 到多周期调制。[0049]图3A —般地示出了包含在用于电源控制器中的多周期调制器340的实例示意性 图345，其使用了图2中示出的方法。在该实例中，耦接反馈控制块302以接收涉及电源输 出的检测信号350。检测信号350可以表不一个或多个参数的组合,例如输出电压、输出电 流、开关中的电流、开关定时、电源输入电压、使能信号、禁止信号等等，它们都是在某一时 间内产生的。检测信号350实质上可以是模拟信号或者数字信号。为了响应检测信号350， 反馈控制块302产生反馈电流IFB356，该反馈电流Ifb356对应于需要保持调节输出的峰值 开关电流。电流、被电阻器R1358转化为电压Vfb352。与最小峰值开关电流Ipkmin成比例 的固定电流同样由电阻器R2360转化为固定参考电压Vipkmin354。电压VFB352和固定参考电 &VIPKMIN354被调制块306接收，以产生具有固定开关频率的脉宽调制开关信号308，其响应 于在与门310的第一输入的固定开关操作循环Ts。在一个实例中，块306通过调节电源的 开关S1120中的峰值电流Ipk改变开关信号308的脉冲宽度。开关S1120中的电流被电流 检测电阻器Rs370转化为电流检测电压VIS1372。电流检测电压VIS1372被块306接收。在 一个实例中，当反馈电流Ifb356大于最小参考峰值开关电流Ipkmin时，峰值电流Ipk与反馈电 流IFB356成比例，当反馈电流小于Ipkmin时，峰值电流Ipk被固定在值IPKMIN。执行块306功 能的电路的一个实例在图3B中示出，并且在本发明的后面进行描述。比较器314比较电 压Vfb352与参考电压Vipkmin354。在图3A的实例中，在反相器320的输入处，比较器314的 输出被多周期调制器电路340作为信号316接收，并且输入到与非(NAND)门324的第一 输入。如在实例中所示，多周期调制器电路340生成信号332，响应于来自比较器314的信 号316启用或者禁止在与(AND)门310输出的开关信号312。当电压VFB352大于参考电压 Vipkmin354时，来自比较器314的信号316为高。当电压VFB352小于参考电压VIPKMIN354时，来 自比较器314的信号316为低。当信号316为高，多周期调制器电路340在与门310的第 二输入设置信号332为高，从而启用或者允许来自块306的脉冲宽度调制开关信号308在 与门310的输出上不中断，这在示出的实例中是耦接到开关S1120的开关信号312。在一个 实例中，开关SI 120是功率金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。当信号332在与门310的 第二输入上为低时，脉冲宽度调制开关信号308被禁止或者不允许出现在与门310的输出上。[0050]当信号316为低时，周期Ts被固定在值Tse。此外，当信号316为低时，多周期调制 器电路340允许开关信号308在最小数量Nmin开关操作循环内出现在开关信号312,每一个 开关操作循环都具有周期Tse，在最小数量Mmin的开关操作循环内禁止开关信号312，每一个 开关操作循环都具有周期Tse。在一个实例中，多周期调制器电路340包括耦接的锁存器， 以接收来自比较器314输出的信号316。如在实例中所示出的，锁存器由与非门326和328 以及反相器320和330形成，并且耦接到边缘检测器348，该边缘检测器耦接到单次定时器 338。边缘检测器348包括异(XOR)门342、反相器344和延迟346，如所示出的。[0051]在一个实例中，当来自锁存器的反相器330输出的信号332从高变到低以及从低 变高时，边缘检测器348在线路336上产生逻辑低以持续近30纳秒。当线路336变低，单 次定时器338在NraTse或者MraTse的持续时间内在线路334上产生逻辑低。当线路332为 高时，线路334上的逻辑低的持续时间为NMINTse。当线路332为低时，线路334上的逻辑低 的持续时间为MMINTse。在一个实施例中，Nmin被选择为接近4个周期，Mmin为O周期。在一个 实施例中，对应于固定周期Tse的频率为30kHz。[0052]图3B示出了执行图3A中的块306功能的电路实例图，其包括固定频率峰值电流 调制器和模式选择器比较器。模式选择比较器368接收电压Vfb352，Vipkmin354和VIS1372。 模式选择比较器368产生输出374,该输出由锁存器362的输入接收。锁存器362的另一输 入从振荡器366接收定时信号364。锁存器362的输出是脉冲宽度调制开关信号308。[0053]图4是另一实例流程图，描述了根据本发明的教导用以控制电源的另一方法。从 块405开始，在块410发生电源输出的检测。[0054]接下来，在块415中，控制器使用从电源输出检测到的信息，来估算调整具有周期 调制的输出所需要的等效开关频率fEQ。下面，估算的开关频率fEQ与参考频率fKEF在判定块 420进行比较。在一个实例中，参考频率fKEF大于或者等于所关心的最高声频。在一个实施 例中，参考频率接近于30kHz。[0055]开关频率fEQ的估算以及与参考频率fKEF的比较都不需要精确的或者数字计算结 果。在一个实例中，开关频率fEQ基于反馈信号被估算为高于或者低于参考频率fKEF。&0低 于fKEF的估算暗指轻负载需要声频范围内的开关频率。在这些情况下，判定块420判定fKEF>fEQ，流程转到块430。周期Ts在块430中被固定在值Tse。然后在块435中实现多周期 调制的调节。[0056]如在块435中所示，多周期调制通过在开关信号中聚集N个开关操作循环实现输 出的调节，每一个开关操作循环都具有周期Tse，紧跟着无开关的周期Tse的M个循环。在实 例中，N和M都是可以调制的，分别限制为最小值Nmin和Mmin。开关信号中的开关和无开关 的最终模式在图1A中都给出了相同的平均电流Id115，以具有固定开关操作循环周期的开 关频率fEQ不间断地开关。在实例中，根据本发明的教导，分组调制的开关模式实质上产生 了比具有普通周期调制的未分组模式更少的声频噪音。[0057]如果判定块420判定fKEF ( fEQ,那么流程转到块425,以便通过周期调制而不是多 周期调制来实现调节。在一个实施例中，周期调制频率范围是30kHz到66kHz。在另一实施 例中，周期调制频率范围是30kHz到132kHz。在一个实例中，根据本发明的教导，多周期调 制可以用于调节低输出功率的传递，周期调制可以用于调节更高输出功率的传递。[0058]这样，在一个实例中，依靠开关频率fEQ和参考频率fKEF之间的关系，可以根据第一 或第二操作模式控制开关导通。在一个操作模式中，在开关操作循环内控制开关导通，调节 开关操作循环周期以调节电源输出。可替代的，在第二操作模式中，可以在具有固定周期的 开关操作循环内控制开关导通，一组连续的开关操作循环与下一组连续的开关操作循环被 无开关的时间分离，调节无开关的时间以调整电源输出。在实例中，可以调节无开关的时间 以便对应于开关操作循环周期的频率落在声频范围外。在实例中，开关操作循环的组包括 至少四个连续的开关操作循环。[0059]图5示出使用了图4中方法的电源的控制器545的实例示意性图。在实例中，耦接 反馈控制块302以接收涉及电源输出的检测信号350。如所讨论的，检测信号350可以表示 一个或多个参数的组合，例如输出电压、输出电流、输出功率、开关中的电流、开关定时、电 源输入电压、使能信号、禁止信号等等，它们都是在某一时间内产生的。检测信号350实质 上可以是模拟信号或者数字信号。为了响应检测信号350，反馈控制块302产生等效开关频 率信号fEQ504，该等效开关频率信号对应于保持调节输出所需要的开关频率。信号fEQ504被 周期调制块506接收以产生在与门310的第一输入上的具有周期Ts的周期调制开关信号 508。比较器514比较信号fEQ504和参考信号fKEF518，在一个实例中该参考信号对应于周期 调制开关所需要的最小开关频率。在图5的实例中，比较器514的输出被多周期调制器电 路340在反相器320的输入作为信号516接收,并且传递到与非门324的第一输入。如在 实例中所示的，多周期调制器电路340生成信号332，它响应于来自比较器514的信号516 启用或者禁止在与门310输出上的开关信号512。当信号fEQ504大于参考信号fKEF518时， 来自比较器514的信号516为高。当信号fEQ504小于参考信号fKEF518时，来自比较器514 的信号516为低。当信号516为高，多周期调制器电路340在与门310的第二输入设置信 号332为高，从而启用或者允许来自周期调制块506的周期调制开关信号508不间断地出 现在与门310的输出上，其在示出的实例中是开关信号512。当信号332在与门310的第二 输入上为低时，周期调制开关信号508被禁止或者不允许出现在与门310的输出上。[0060]当信号516为低，多周期调制器电路340允许开关信号508在最小数量Nmin组具 有周期Tse的开关操作循环内出现在开关信号512，在最小数量Mmin组具有周期Tse的开关 操作循环内禁止开关信号512。在一个实例中，多周期调制器电路340包括耦接的锁存器， 以接收来自比较器514输出的信号516。如在实例中所示出的，锁存器由与非门326和328 以及反相器320和330形成，并且耦接到边缘检测器348，该边缘检测器348耦接到单次定 时器338。边缘检测器348包括异门342、反相器344和延迟346，如所示出的。[0061]在一个实例中，当来自锁存器的反相器330输出的信号332从高变到低以及从低 变高时，边缘检测器348在线路336上产生持续近30纳秒的逻辑低。当线路336变低，单 次定时器338在NraTse或者MraTse的持续时间内在线路334上产生逻辑低。当线路332为 高时，线路334上逻辑低的持续时间为NMINTse。当线路332为低时，线路334上的逻辑低的 持续时间为MMINTse。[0062]然而在另一实例中，除了峰值开关电流Ipk或者等效开关频率fEQ之外的不同参数 可以作为多周期调制和可替代的控制模式之间进行选择的标准。例如，可替代的控制模式 可以是固定开关频率电压模式PWM。在该模式中，只要导通时间在响应于反馈信号的特定阈 值之上，就调节开关的时间。当反馈信号要求低于最小阈值的导通时间表示轻负载情况时，导通时间可以被固定在该值，并且控制模式可以被切换到多周期调制。另外可替代的控制模式可以是具有固定导通时间或者固定空闲时间的可变频率，其使用了最小的开关频率作为用于多周期调制的指示。[0063]因此，在一个实例中，控制器耦接到电源中的开关，以控制在开关操作循环内的开关的开启和切断。在实例中，开关耦接到能量传输元件，例如电源的能量传输元件T1125。 一组开关操作循环和下一组开关操作循环通过无开关的时间分离，调节无开关的时间以调节从电源输入到电源输出的能量传输。在实例中，在一组开关操作循环中最小数量的连续周期是固定的。另外，通过在开关操作循环内控制开关导通和调节循环的周期以调节输出， 控制器可以在额外的模式下操作以调节更高的功率输出。为了解释，图6，图7，图8和图9 示出了根据本发明的教导，开关操作循环的模式和生成可以产生声频噪音的频率之间的关系，以启动多周期调制的参数值的选择。[0064]电流ID115在能量传输元件T1125中产生磁通密度B(见图1)。图6A的图表示出了磁通密度B随着时间变化的函数的通常波形的一个实例。峰值磁通密度Bp出现在电流 Id115的峰值电流IMX。磁通密度B在周期Ts内的时间Ta上是有效的。[0065]考虑磁通密度B的频谱内容是重要的，这是因为磁通密度会产生能够改变能量传输元件T1125的形状的机械力。如果磁通密度B包含声频范围内的频率组件，在该声频范围内可以使得能量传输元件T1125共振，则可能产生不能采用的高声频噪音。[0066]图6B和6C示出了图6A中波形的局部频谱。图6B中示出了来自高开关频率的频谱，而图6C示出了在相同频率范围内的来自低开关频率的频谱。[0067]在频率轴上的垂直线示出了表示图6A中波形的复数傅立叶级数中相对系数值。 本领域技术人员将知晓具有周期Ttl的周期性函数f(t)可以表示为:
【权利要求】
1.一种用于电源的控制器，该控制器包括:开关信号产生器，耦接来产生用于控制所述电源的开关的开关的开关信号；调制电路，耦接来响应于开关频率信号向所述开关信号产生器提供调制开关信号，该开关频率信号表示所述电源的输出在调节中时所述开关的等效开关频率，其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效开关频率大于参考频率，所述调制电路调制所述调制开关信号的周期以改变所述开关信号的开关周期，并且其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效开关频率小于所述参考频率，所述调制电路固定所述调制开关信号的周期以固定所述开关信号的开关周期；耦接到所述开关信号产生器的多周期调制器电路，其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效开关频率大于所述参考频率，所述多周期调制器电路启用所述开关信号产生器提供不中断的开关信号，并且其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效开关频率小于所述参考频率，所述多周期调制器电路在第一时间段内禁止所述开关信号产生器，然后在第二时间段内启用所述开关信号产生器，其中所述多周期调制器改变所述第一时间段以调节所述电源的输出。
2.如权利要求1所述的控制器，其中，所述多周期调制器电路包括定时器，该定时器耦接来独立于所述开关频率信号在第一最小时间段内保持所述第一时间段。
3.如权利要求1所述的控制器，其中，所述多周期调制器电路包括定时器，该定时器耦接来独立于所述开关频率信号在第二最小时间段内保持所述第二时间段。
4.如权利要求1所述的控制器，其中，所述开关信号产生器是与门，该与门具有耦接来接收所述调制开关信号的第一输入、耦接来接收来自所述多周期调制器电路的信号以启用和禁止所述与门的第二输入以及提供所述开关信号的输出。
5.如权利要求1所述的控制器，还包括:反馈电路，耦接来接收涉及所述电源调节器的输出的检测信号，并耦接来响应于此而产生所述开关频率信号；以及耦接到所述反馈电路的比较器，将所述开关频率信号与表示所述参考频率的信号进行比较，其中所述多周期调制器电路耦接到所述比较器的输出。
6.如权利要求5所述的控制器，其中，所述检测信号表示从以下各项构成的组中选择的一个或多个参数的组合:所述电源的输出电压、所述电源的输出电流、所述电源的输出功率、所述开关中的电流、所述开关的定时、电源输入电压、使能信号、禁止信号。
7.如权利要求5所述的控制器，其中，所述等效开关频率低于所述参考频率指所述电源的输出处的轻负载，这需要声频范围内的开关频率。
8.如权利要求1所述的控制器，其中，所述第一时间段是固定开关周期的整数倍。
9.如权利要求8所述的控制器，其中，所述第二时间段是固定开关周期的整数倍。
10.如权利要求1所述的控制器，其中，所述多周期调制器调整所述第一时间段，以便多个开关操作循环的频率落在声频范围之外。
11.如权利要求10所述的`控制器，其中，所述参考频率大于或者等于所关心的最高声频。
12.如权利要求11所述的控制器，其中，所述参考频率接近于30kHz。
13.如权利要求11所述的控制器，其中，所述调制电路调制所述调制开关信号的周期以改变所述开关信号的开关周期，以便所述开关信号的频率范围的下端是所关心的最高声频。
14.如权利要求13所述的控制器，其中，所述开关信号的频率范围在被所述调制电路调制时大约是30kHz到66kHz。
15.如权利要求13所述的控制器，其中，所述开关信号的频率范围在被所述调制电路调制时大约是30kHz到132kHz。
16.一种用于电源调节器的控制器，包括:反馈电路，耦接来响应于来自电源调节器输出的检测信号而产生等效开关频率信号； 比较器，耦接来将所述等效开关频率信号与参考信号进行比较；耦接到所述反馈电路的周期调制电路，响应于所述等效开关频率信号而产生周期调制开关信号；以及耦接到所述比较器的输出的多周期调制器电路，所述多周期调制器电路耦接来启用或禁止来自耦接到所述电源调节器的开关的控制器的开关信号，其中，两个或更多连续的开关操作循环的一组与具有两个或更多开关操作循环的下一组被无开关的时间分离，其中， 在闭环中调节所述无开关的时间，以调整从电源调节器输入到电源调节器输出的能量传输。
17.一种用于电源调节器的控制器，该控制器包括:开关信号产生器，耦接来产生用于控制所述电源调节器的开关的开关的开关信号；调制电路，耦接来响应于指示所述电源调节器的输出处的负载情况的反馈信号向所述开关信号产生器提供脉宽调制开关信号，其中，响应于所述反馈信号指示所述负载情况是轻负载情况，所述调制电路调制所述脉宽调制开关信号的占空比以在所述开关中提供固定峰值开关电流，并且其中，响应于所述反馈信号指示所述负载情况不是轻负载情况，所述调制电路调制所述脉宽调制开关信号的占空比以在所述开关中提供与所述反馈信号成比例的可变峰值开关电流；以及耦接到所述开关信号产生器的多周期调制器电路，其中，响应于所述反馈信号指示所述负载情况不是轻负载情况，所述多周期调制器电路启用所述开关信号产生器提供不中断的开关信号，并且其中，响应于所述反馈信号指示所述负载情况是轻负载情况，所述多周期调制器电路在第一时间段内禁止所述开关信号产生器，然后在第二时间段内启用所述开关信号产生器，其中响应于所述反馈信号而调节所述第一时间段以调整输出。
18.一种用于电源调节器的控制器，包括:反馈电路，耦接来响应于来自电源调节器输出的检测信号而产生对应于峰值开关电流的反馈电流信号；比较器，耦接来将所述反馈电流信号与参考电压进行比较；耦接到所述反馈电路的调制电路，响应于所述反馈电流信号和所述参考电压而产生具有固定开关频率的脉宽调制开关信号；以及耦接到所述比较器的输出的多周期调制器电路，所述多周期调制器电路耦接来启用或禁止来自耦接到所述电源调节器的开关的控制器的开关信号，其中，两个或更多连续的开关操作循环的一组与具有两个或更多开关操作循环的下一组被无开关的时间分离，其中，`在闭环中调节所述无开关的时间，以调整从电源调节器输入到电源调节器输出的能量传输。
19.一种用于调整开关电源的设备，包括:耦接到电源的能量传输元件的开关；以及耦接到所述开关的控制器，控制所述开关在开关操作循环内的接通和切断，其中该控制器被配置为在第一操作模式中通过无开关的时间将具有多个连续的开关操作循环的第一组与具有连续开关操作循环的下一组分离，并且其中，连续的开关操作循环的数量被在闭环中调节，以调整从所述电源的输入到所述电源的输出的能量传输。
20.—种电源调节器,包括:能量传输元件，耦接 来接收所述电源调节器的输入电压；耦接到所述能量传输元件的开关，其中该开关响应于开关信号而接通和切断；以及控制器，耦接来向所述开关提供所述开关信号，以调节所述电源调节器的输出处的输出量，其中所述控制器包括:开关信号产生器，耦接来响应于脉宽调制(PWM)开关信号并响应于使能/禁止信号而产生所述开关信号；调制电路，耦接来响应于指示所述电源调节器的输出处的负载情况的反馈信号向所述开关信号产生器提供所述PWM开关信号，其中，响应于所述反馈信号指示所述负载情况是轻负载情况，所述调制电路调制所述PWM开关信号的占空比以在所述开关中提供固定峰值开关电流，并且其中，响应于所述反馈信号指示所述负载情况不是轻负载情况，所述调制电路调制所述PWM开关信号的占空比以在所述开关中提供与所述反馈信号成比例的可变峰值开关电流；以及多周期调制器电路，耦接来向所述开关信号产生器提供所述使能/禁止信号，其中，响应于所述反馈信号指示所述负载情况不是轻负载情况，所述使能/禁止信号启用所述开关信号产生器提供不中断的开关信号，并且其中，响应于所述反馈信号指示所述负载情况是轻负载情况，所述使能/禁止信号在第一时间段内禁止所述开关信号产生器，然后在第二时间段内启用所述开关信号产生器，其中调节所述第一时间段以调整输出。
21.—种电源调节器,包括:能量传输元件，耦接来接收所述电源调节器的输入电压；耦接到所述能量传输元件的开关，其中该开关响应于开关信号而接通和切断；以及控制器，耦接来向所述开关提供所述开关信号，以调节所述电源调节器的输出处的输出量，其中所述控制器包括:开关信号产生器，耦接来响应于调制开关信号并响应于使能/禁止信号而产生所述开关信号；调制电路，耦接来响应于开关频率信号向所述开关信号产生器提供所述调制开关信号，该开关频率信号表示所述电源的输出量在调节中时所述开关的等效开关频率，其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效开关频率大于参考频率，所述调制电路调制所述调制开关信号的周期以改变所述开关信号的开关周期，并且其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效开关频率小于所述参考频率，所述调制电路固定所述调制开关信号的周期以固定所述开关信号的开关周期；以及多周期调制器电路，耦接来向所述开关信号产生器提供所述使能/禁止信号，其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效开关频率大于所述参考频率，所述使能/禁止信号启用所述开关信号产生器提供不中断的开关信号，并且其中，响应于所述开关频率信号指示所述等效开关频率小于所述参考频率，所述使能/禁止信号在第一时间段内禁止所述开关信号产生器，然后在第二时间段内启用所述开关信号产生器，其中所述多周期调制器改变所述第一时间段以调节所述电源的输出 。
【文档编号】H02M3/28GK103560671SQ201310425238
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2007年9月30日 优先权日:2006年10月4日
【发明者】B·巴尔克里什南, A·B·奥德尔 申请人:电力集成公司