专利名称：频率调制控制器、开关模式电源及开关操作频率调制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于降低输出电压纹波的开关操作频率调制装置，以及一种开关 模式电源(SMPS)。
背景技术：
SMPS将输入AC电压整流成输入DC电压，并将输入DC电压转换成另一电平的DC 输出电压。这样的SMPS主要用于电池电源装置例如功率电子装置，特别是移动电话和膝上 型电脑。SMPS的输出电压随着输入DC电压(在下文中称为输入电压)的增大/减小而增 大/减小。即，输入电压的纹波影响SMPS的输出电压，并产生输出电压随输入电压增大/ 减小的输出电压纹波。当操作SMPS时开关操作所产生的开关噪声会导致在包括该SMPS的设备中产生电 磁干扰(EMI)。开关噪声表示由于配置SMPS的开关的开关操作频率而发生的噪声分量以 及谐波分量。当发生EMI时，包括SMPS的装置的周边电子装置的操作受到干扰。用于抑制 EMI的发生的方法是用于调制开关操作频率的方法。但是，频率调制方法产生根据开关操作 频率调制的输出电压纹波，该输出电压纹波叠加到由输入电压的纹波引起的输出电压纹波 分量上，从而产生更大的输出电压纹波。在该背景技术部分公开的上述信息只用于增强对本发明的背景的了解，因而其可 能含有不构成在这个国家已经为本领域普通技术人员所知的现有技术的信息。
发明内容
本发明致力于提供一种用于防止SMPS发生EMI并降低输出电压纹波的频率调制 控制装置，包括该频率调制控制装置的开关模式电源，以及开关操作频率调制方法。本发明的示例性实施例提供一种频率调制控制装置，用于控制开关模式电源 (SMPS)的开关操作频率调制，该频率调制控制装置包括峰值检测器，用于接收与通过对 SMPS的输入AC电压整流产生的输入电压相对应的感测电压，并检测和维持该感测电压的 峰值；纹波发生器，用于产生与该峰值和感测电压之间的差成比例的电流纹波；以及调制 控制信号发生器，用于通过使用从预定的基准电流减去电流纹波所产生的电流来产生调制 控制信号。纹波发生器包括第一比较器，用于产生与峰值和感测电压之间的差相对应的差 分电压；控制器，用于根据该差分电压选择预定的增益，并通过将该增益乘以差分电压来产 生纹波控制信号；以及电流变换器，用于根据该纹波控制信号产生电流纹波。
电流变换器包括晶体管；连接在该晶体管的发射极与地之间的电阻器；以及第 二比较器，用于通过使用纹波控制信号和电阻器来控制流向晶体管的电流纹波。当差分电压的幅值小于预定的基准幅值时，根据差分电压设置增益，以将纹波控 制信号的幅值控制为基准幅值。或者根据差分电压设置增益，使得纹波控制信号的幅值可 以为预定的基准幅值，并维持纹波控制信号的幅值。调制控制信号发生器包括基准电流源，用于供给基准电流；加减单元，用于产生 通过将电流纹波叠加到基准电流或者从基准电流减去电流纹波所产生的电流；以及受控电 流源，用于接收由加减单元产生的电流，并产生与该电流相对应的调制控制信号。本发明的另一实施例提供一种开关模式电源(SMPS)，其包括功率开关变压器， 用于根据功率开关的开关操作将初级线圈的功率传输到次级线圈；连接到变压器的次级线 圈的反馈电路，用于产生与次级线圈的电压相对应的反馈信息；以及开关控制器，用于通过 使用反馈信息和传输到变压器的初级线圈的输入电压的纹波来控制功率开关的开关操作， 并调制开关操作频率。开关控制器包括频率调制控制装置，用于将对应于反馈信息的反馈电压与用于 控制开关操作频率的振荡器信号作比较，根据比较结果使功率开关导通或截止，并使用输 入电压的纹波来调制振荡器信号的频率。频率调制控制装置包括峰值检测器，用于接收与输入电压相对应的感测电压，并 感测和维持该感测电压的峰值；纹波发生器，用于产生与该峰值和感测电压之间的差成比 例的电流纹波；以及调制控制信号发生器，用于通过使用从预定的基准电流减去电流纹波 所产生的电流来产生调制控制信号，其中，振荡器信号的频率根据调制控制信号而增大/ 减小。纹波发生器包括第一比较器，用于产生与峰值和感测电压之间的差相对应的差 分电压；控制器，用于根据该差分电压选择预定的增益，并通过将该差分电压乘以增益来产 生纹波控制信号；以及电流变换器，用于根据该纹波控制信号产生电流纹波。电流变换器包括晶体管；连接在该晶体管的发射极与地之间的电阻器；以及第 二比较器，用于通过使用纹波控制信号和电阻器来控制流向晶体管的电流纹波。当差分电压的幅值小于预定的基准幅值时，根据差分电压设置增益，以将纹波控 制信号的幅值控制为基准幅值，或者根据差分电压设置增益，以将纹波控制信号的幅值控 制为预定的基准幅值，并维持纹波控制信号的幅值。调制控制信号发生器包括基准电流源，用于供给基准电流；加减单元，用于产生 通过将电流纹波叠加到基准电流或者从基准电流减去电流纹波所产生的电流；以及受控电 流源，用于接收由加减单元产生的电流，并产生与该电流相对应的调制控制信号。本发明的又一实施例提供一种用于调制开关模式电源(SMPS)的开关操作频率的 方法，该方法包括接收与通过对SMPS的输入AC电压整流产生的输入电压相对应的感测电 压，并感测和维持该感测电压的峰值；产生与该峰值和感测电压之间的差成比例的电流纹 波；通过使用从预定的基准电流减去电流纹波所产生的电流来产生调制控制信号；产生频 率根据该调制控制信号增大/减小的振荡器信号；以及根据该振荡器信号控制SMPS的功率 开关的开关操作。电流纹波的产生包括产生与峰值和感测电压之间的差相对应的差分电压；根据
6该差分电压选择预定的增益，并通过将差分电压乘以增益来产生纹波控制信号；以及根据 该纹波控制信号产生电流纹波。当差分电压的幅值小于预定的基准幅值时，根据差分电压 设置增益，以将纹波控制信号的幅值控制为基准幅值，或者根据差分电压设置增益，以将纹 波控制信号的幅值控制为预定的基准幅值，并维持纹波控制信号的幅值根据本发明的示例性实施例，提供了一种用于防止SMPS发生EMI并且降低输出电 压纹波的频率调制控制装置，包括该频率调制控制装置的开关模式电源，以及开关操作频 率调制方法。
图1示出了包括根据本发明示例性实施例的频率调制控制装置的SMPS。图2A至图2G分别示出了用于描述频率调制控制装置的操作的输入电压、感测电 压、峰值、差分电压、电流纹波、调制控制信号以及振荡器信号的频率。图3A示出了降低振荡器信号的斜率以将频率降为1/2并且周期变为两倍的例子。图3B示出了根据图3A中所示的振荡器信号OSCl的流向功率开关的漏电流以及 栅信号。图3C示出了根据图3A中所示的振荡器信号0SC2的流向功率开关的漏电流以及
栅信号。图4A示出了将振荡器信号的周期增大为两倍以将频率降为1/2并且使振荡器信 号的峰值变为两倍的例子。图4B示出了根据图4A中所示的振荡器信号0SC3的流向功率开关的漏电流以及
栅信号。图4C示出了根据图4A中所示的振荡器信号0SC4的流向功率开关的漏电流以及
栅信号。图5示出了当输入电压为高或负载为低时的差分电压以及当输入电压为低或负 载为高时的差分电压。图6示出了分别对应于一差分电压和另一差分电压的一调制控制信号和另一调 制控制信号。图7示出了根据本发明示例性实施例的差分电压(DV)的幅值和增益G之间的关系。图8示出了用于描述根据本发明示例性实施例的功率开关的开关操作的波形图。
具体实施例方式在下面的详细说明中，仅以举例说明的方式，只示出和描述了本发明的某些示例 性实施例。本领域技术人员应明白，所描述的实施例可以以多种不同的方式修改，而都不脱 离本发明的精神和范围。因此，附图和说明书应被认为实质上是说明性而非限制性的。整 个说明书中，类似的参考标号表示类似的元素。贯穿本说明书和后面的权利要求书，当一元件被描述为“耦接”到另一元件时，该 元件可“直接耦接”到另一元件或者通过第三元件“电耦接”到另一元件。此外，词组“包括” 应被理解为意指包括所列的元素但不排除任何其它元素，除非另有明确说明。
现将参照附图描述根据本发明示例性实施例的频率调制控制装置以及使用该频 率调制控制装置的SMPS。图1示出了包括根据本发明示例性实施例的频率调制控制装置的SMPS。如图1所示，SMPS包括桥二极管10、变压器20、反馈电路105以及开关控制器100。在本发明的示例性实施例中，开关控制器100包括功率开关(M)，但本发明不限于 此。功率开关(M)和开关控制器100可分开并实现为分立的芯片。功率开关(M)是η沟道 型晶体管，并且功率开关(M)的源极通过连接端2接地。桥二极管10包括4个二极管11-14，并通过对输入AC(AC)全波整流来产生输入 电压(Vin)。电容器Cl使输入电压(Vin)平滑，以将平滑的输入电压(Vin)供给到变压器 20。下面，平滑的输入电压(Vin)将被称为输入电压(Vin)。输入电压(Vin)通过电平传感 器126被传输到开关控制器100。变压器20根据功率开关(M)的开关操作将初级线圈的功率向次级线圈传输。变 压器20包括初级线圈Ll和次级线圈L2。输入电压(Vin)被供给到初级线圈Ll的第一端， 初级线圈Ll的第二端通过连接端1连接到功率开关(M)的漏极。次级线圈L2的第一端连 接到二极管Dl的阳极，次级线圈L2的第二端连接到电容器C2的第一端，电容器C2的第二 端连接到二极管Dl的阴极。电容器C2上的电压是输出电压(Vout)。通过将初级线圈Ll 的匝数除以次级线圈L2的匝数获得匝数比(η)。电压V2是将电压Vl除以匝数比所产生的 电压，电压V2的极性与电压Vl的极性相反。当功率开关(M)导通时，初级线圈Ll的电压Vl变为输入电压(Vin)，流向初级线 圈Ll的电流(IL)增加。电流(IL)以与输入电压(Vin)成比例的斜率增加。在功率开关 (M)导通时，漏电流(Ids)与电流(IL)相同。当功率开关(M)截止时，初级线圈Ll的电压(Vl)变为负的电压(V2)乘以匝数比 (η)所得的电压。当功率开关(M)截止时，电压(V2)为正。电流(IL)以与输出电压(Vout) 成比例的斜率降低。在这种情况下，二极管Dl导通以产生流过次级线圈L2的电流(ID)。 电流(ID)对电容器C2充电，或者流向连接到SMPS的负载。电容器C2被电流(ID)充电， 并且在二极管Dl截止时向负载供给所需的功率。反馈电路105包括齐纳二极管(ZD)、电阻器(Ro)、光电二极管(PD)、光电晶体管 (PT)以及反馈电容器(Cfb)。反馈电路105产生对应于输出电压(Vout)的反馈信息(FB)， 并将该反馈信息(FB)传输至开关控制器100。输出电压(Vout)施加到齐纳二极管(ZD)的 阴极，阳极连接到电阻器(Ro)的第一端。电阻器(Ro)的第二端连接到光电二极管(PD)的 第一端。当阴极电压比阳极电压大超过击穿电压时，齐纳二极管(ZD)导通以施加电流，并 且齐纳二极管(ZD)的阴极和阳极之间的电压差维持在击穿电压。当齐纳二极管(ZD)由于 输出电压(Vout)而导通时，对应于输出电压(Vout)的电流流过齐纳二极管(ZD)、电阻器 (Ro)以及光电二极管(PD)。光电二极管(PD)根据所流的电流输出光。与光电二极管(PD) 的亮度相对应的电流流向由光电二极管(PD)和光电耦合器形成的光电晶体管(PT)。随着 电流被施加到光电晶体管(PT)，反馈电容器(Cfb)被放电，并且反馈信号(FB)的电压降低。 相反，随着光电晶体管(PT)的电流降低，供给到反馈电容器(Cfb)的电流增加，从而增大反 馈信号(FB)的电压。因此，随着负载增大，输出电压(Vout)降低，光电晶体管(PT)的电流 降低，并且反馈信号(FB)的电压增大。随着负载降低，输出电压(Vout)增大，从而增大光
8电晶体管(PT)的电流，并且降低反馈信号(FB)的电压。开关控制器100将反馈信息(FB)与振荡器信号(OSC)作比较以控制功率开关(M) 处于导通/截止状态，并使用输入电压(Vin)的纹波来调制功率开关(M)的开关操作频率。 开关控制器100根据由频率调制控制装置120提供的调制控制信号(lose)来调制振荡器 信号(OSC)的频率。由于根据本发明示例性实施例的SMPS的开关操作频率由振动器信号 (OSC)确定，所以SMPS根据输入电压(Vin)的纹波改变开关操作频率。现在将描述开关控制器100的构造。开关控制器100包括频率调制装置120、PWM 控制器130以及栅驱动器140。频率调制控制装置120接收对应于输入电压(Vin)的电压，感测输入电压(Vin) 的纹波，并根据所感测的纹波调制振荡器信号(OSC)的频率。详细而言，频率调制装置120 从电平传感器126接收感测电压(SV)，从感测电压(SV)产生输入电压(Vin)的纹波信息， 并使用该纹波信息产生调制控制信号。频率调制控制装置120包括调制控制信号发生器121、纹波发生器110以及峰值 检测器125。频率调制控制装置120的电平传感器126被示出为设置在开关控制器100的 外面，但本发明不限于此，电平传感器126可包括在频率调制控制装置120中，另外，频率调 制控制装置120被描述为包括在开关控制器100中，但本发明不限于此，频率调制控制装置 120可设置在开关控制器100的外面，以向开关控制器100传输调制控制信号(lose)。峰值检测器125对感测电压(SV)的峰值(HV)取样，保持所取样的峰值(HV)，并将 其传输到纹波发生器110。只要感测电压(SV)的峰值不改变，就维持峰值(HV)。峰值(HV) 根据感测电压(SV)的峰值变化而变化。峰值(HV)和感测电压(SV)之间的差是与输入电 压(Vin)的纹波相对应的电压，下文中该电压将被称为输入纹波电压。纹波发生器110产生与接收到的峰值(HV)和感测电压(SV)之间的差成比例的电 流纹波(Ic)。纹波发生器110包括比较器111、控制器113和电流变换器112。比较器111通过从输入到非反相端⑴的峰值(HV)减去输入到反相端㈠的感 测电压(SV)来产生差分电压(DV)。控制器113根据差分电压(DV)选择适当的增益，并通过将所选的增益乘以差分电 压(DV)来产生纹波控制信号(RC)。控制器113根据差分电压(DV)控制增益，以允许纹波 控制信号(RC)具有预定的基准幅值，这将在后面参照图3至图6描述。电流变换器112根据纹波控制信号(RC)产生电流纹波(Ic)。电流变换器112包 括比较器114、晶体管Q以及电阻器R3。比较器114包括缓冲器，该缓冲器用于控制器113 不受外部电路影响地产生纹波控制信号(RC)。详细而言，比较器114操作以控制输入到非 反相端(+)的纹波控制信号(RC)的电压与反相端(_)的电压相对应，并且不受电阻器R3 影响地将纹波控制信号(RC)传输到晶体管(Q)的发射极。电流纹波(Ic)由纹波控制信号 (RC)和电阻器R3确定。电流纹波(Ic)从晶体管(Q)的集电极流向发射极。电压VC2施加 到晶体管(Q)的集电极，并用于产生电流纹波(Ic)。调制控制信号发生器121使用电流纹波(Ic)来产生根据电流纹波(Ic)增大/ 减小的调制控制信号(lose)。详细而言，调制控制信号发生器121通过使用从预定的基准 电流减去电流纹波(Ic)所产生的电流来产生调制控制信号(lose)。因而，调制控制信号 (lose)可随着输入纹波电压而变化，并且调制控制信号(lose)的变化与输入纹波电压的变化成比例。由于振荡器信号(OSC)的频率由调制控制信号(lose)确定，所以根据调制控 制信号(lose)的变化来调制振荡器信号(OSC)的频率。由于开关操作频率根据振荡器信 号(OSC)的频率变化，所以根据输入电压的纹波来确定是否调制开关操作频率。调制控制信号发生器121包括用于供给基准电流(IR)的基准电流源122、用于从 基准电流(IR)减去电流纹波(Ic)并输出减去后的结果的加减单元123、以及用于从加减单 元123接收减去后的结果的受控电流源124。基准电流源122使用电压VC3来产生基准电 流(IR)，受控电流源124使用电压VC4来产生与加减单元123提供的电流相对应的调制控 制信号(lose)。受控电流源124将加减单元123提供的电流转换成适于振荡器135的电 流，以产生调制控制信号(lose)。在本发明的示例性实施例中，受控电流源124被设置成产 生与加减单元123提供的电流相同的电流。图2A至图2G分别示出了用于描述频率调制控 制装置120的操作的输入电压(Vin)、感测电压(SV)、峰值(HV)、差分电压(DV)、电流纹波 (Ic)、调制控制信号(lose)以及振荡器信号(OSC)的频率(fs)。如图2A所示，输入电压(Vin)包括纹波。图2A中虚线所示的部分表示输入AC电 压被桥二极管10全波整流之后的电压波形。由电平传感器通过将输入电压(Vin)降低到适 当的电平而产生感测电压(SV)，并且该感测电压(SV)具有与输入电压(Vin)相同的波形。 如图2B所示，感测电压(SV)具有与输入电压(Vin)相同的波形。如图2C所示，由于感测 电压(SV)的峰值没有改变，所以峰值(HV)得以维持。当输入电压(Vin)的峰值改变时，感 测电压(SV)的峰值(HV)根据输入电压(Vin)的峰值而改变。在图2D中所示的两条虚线 示出了图2B和图2C中所示的峰值电压(HV)和感测电压(SV)，其中两条虚线之间的差是差 分电压(DV)，该差分电压(DV)如图2D中实线所示。差分电压(DV)的峰值和谷值之间的差 是差分电压(DV)的幅值(DVamp)。在图2E中所示的电流纹波(Ic)具有与差分电压(DV) 相同的波形。如图2F所示，通过从基准电流(Iref)减去电流纹波(Ic)来产生调制控制信 号(lose)。如图2G所示，振荡器135根据调制控制信号(lose)改变振荡器信号(OSC)的 频率(fs)。因此，通过根据输入电压(Vin)的纹波产生调制控制信号(lose)并调制开关操作 频率能够防止EMI。在本发明的示例性实施例中已描述了加减单元123从基准电流(IR)减去电流纹 波(Ic)，但本发明不限于此。不同于该示例性实施例，加减单元123可将电流纹波(Ic)叠 加到基准电流(IR)并产生调制控制信号(lose)。由于用于根据调制控制信号(lose)改变 振荡器信号的方法的不同而产生方案的差异。详细而言，用于改变振荡器信号的频率的方法包括用于改变振荡器信号的斜率的 第一方法和用于改变振荡器信号的增大时间的第二方法。在第一方法中，振荡器信号的峰 值恒定不变，在第二方法中，振荡器信号的斜率恒定不变。本发明的该示例性实施例使用第
一方法。图3A示出了由于根据第一方法降低振荡器信号的斜率而使得频率降为1/2并且 周期增加的例子。图3B和图3C示出了当振荡器信号(OSC)变化时流向功率开关(M)的漏 电流(Ids)和栅信号(VG)。当振荡器信号OSCl和振荡器信号0SC2达到基准电压(VREF) 时，开关截止。反馈电压(VF)用作基准电压。即，从振荡器信号(OSC)开始增大时到振荡器 信号(OSC)达到反馈电压(VF)时，功率开关导通。当振荡器信号(OSC)从振荡器信号OSCl
10改变到振荡器信号0SC2时，如图3B和图3C所示，栅信号(VG)和漏电流(Ids)也变化。图 3B示出了根据振荡器信号OSCl的流向功率开关(M)的漏电流(Ids)和栅信号(VG)。图3C 示出了根据振荡器信号0SC2的流向功率开关(M)的漏电流(Ids)和栅信号(VG)。当调制控制信号的斜率以如图3A所示的振荡器信号0SC2的类似方式降为1/2 时，如图3C所示，漏电流(Ids)的峰值(2Ipkl)与图3B中的漏电流(Ids)的峰值(Ipkl) 相比变为两倍。由于输出功率与功率开关的频率以及漏电流的峰值的平方成比例，所以在 图3C的操作情况下输出功率与图3B的情况相比增加为两倍。图3B和图3C中的斜线部分 的面积示出了输出功率。当输出功率增大时，输出电压增大，当输出功率减小时，输出电压 减小。因此，当输入电压小时，降低振荡器信号频率以降低功率开关的开关操作频率并 增大输出电压。相反，当输入电压高时，振荡器信号的频率变高以增大功率开关的开关操作 频率并降低输出电压。即，在本发明的示例性实施例中为了根据输入电压的纹波抵消输出 电压的纹波，开关频率被调制以产生在与输入电压纹波的方向相反的方向上的输出电压纹 波。将参照图4A至图4C描述第二方法。当电流纹波(Ic)被叠加到基准电流(IR)以 实现第二方法时，振荡器信号的增大时间可根据调制控制信号(lose)而变化。在调制控制 信号(lose)增大并达到预定阈值的时间中，振荡器信号增大，并且增大时段被设为一个周 期。由于随着电流纹波(Ic)增大，用于调制控制信号(lose)增大并达到预定阈值的时间 降低，所以振荡器信号的一个周期被降低。相反，随着电流纹波(Ic)降低，振荡器信号的一 个周期被增大。图4A示出了根据第二方法增大振动器信号的周期以降低频率并增大振荡器信号 的峰值的例子。图4B和图4C示出了当振荡器信号(OSC)变化时流向功率开关(M)的漏电 流(Ids)和栅信号(VG)。当输入电压增大时，图4A中所示的振荡器信号0SC3改变成振荡器信号0SC4。从 当振荡器信号0SC3或振荡器信号0SC4开始增大时到当其达到基准电压(VREFl)时，功率 开关导通。在本发明的另一示例性实施例中，假设以图4A中的类似方式提供振荡器信号 (OSC)。当振荡器信号(OSC)从振荡器信号0SC3改变成振荡器信号0SC4时，如图4B和图 4C所示，栅信号(VG)和漏电流(Ids)也变化。图4B示出了根据振荡器信号0SC3的流向功 率开关(M)的漏电流(Ids)和栅信号(VG)。图4C示出了根据振荡器信号0SC4的流向功率 开关(M)的漏电流(Ids)和栅信号(VG)。在使用第二方法的情况下，当输入电压减小时，输入电压纹波增大从而增大电流 纹波(Ic)，因而增大调制控制信号。当输入电压增大时，输入电压纹波减小从而相对减小 电流纹波(Ic)，因而相对减小调制控制信号。随着调制控制信号减小，振荡器信号的一个 周期增大。当输入电压增大时，如图4A所示，调制控制信号降低以将振荡器信号从振荡器 信号0SC3改变成振荡器信号0SC4。即，假设增大输入电压以使振荡器信号(OSC)的周期 变为两倍并且峰值被增大为两倍，如图4C所示，功率开关的开关操作频率降为1/2并且漏 电流(Ids)的峰值Ipk2得以维持。由于输出功率与功率开关的频率以及漏电流的峰值的 平方成比例，所以可如图4C所示操作的输出功率与图4B的情况相比降为1/2。图4B和图4C中斜线部分的面积表示输出功率。当输出功率增大时输出电压增大，当输出功率降低时 输出电压降低。因此，由于振荡器信号频率在输入电压较小时增大，所以功率开关的开关操作频 率增大并且输出电压增大。相反，由于振荡器信号频率在输入电压高时降低，所以功率开关 的开关操作频率降低并且输出电压降低。为了根据输入电压的纹波抵消输出电压的纹波的 目的，第二方法调制开关频率以产生在输入电压纹波的相反方向上的输出电压纹波。现将参照图5至图7描述控制器113。图5示出了当输入电压高或负载低时的差分电压DVl以及当输入电压低或负载高 时的差分电压DV2。如图5所示，差分电压DVl的幅值相对小于差分电压DV2的幅值。图5 中的差分电压DVl被设为小于基准幅值(WR)。图6示出了分别与差分电压DVl和差分电压DV2相对应的调制控制信号(Ioscl) 和调制控制信号(IoSC2)。如图5和图6所示，当通过使用差分电压DVl产生调制控制信号(Ioscl)时，频率 调制的宽度较窄并且不能有效防止EMI。基准幅值(WR)被设为用于防止EMI的最小幅值， 并且当差分电压(DV)小于基准幅值(WR)时，控制器113增大增益以将差分电压(DV)补偿 为至少基准电压(WR)。图7示出了根据本发明的示例性实施例的差分电压的幅值(DVamp)和增益(G)之 间的关系。如图7所示，通过控制器113设置差分电压的幅值(DVamp)和增益G之间的反 比关系。当差分电压的幅值(DVamp)小于基准幅值(WR)时，根据该关系控制增益G，以使差 分电压的幅值(DVamp)增大为等于基准幅值(WR)。在本发明的示例性实施例中已描述当差分电压的幅值(DVamp)小于基准幅值 (WR)时，通过控制增益G将差分电压(DV)放大到至基准电压(WR)，但是本发明不限于此， 而可控制纹波控制信号(RC)，从而通过根据图7所示的关系以与差分电压的幅值(DVamp) 相对应的增益G补偿差分电压(DV)而具有恒定的基准幅值(WR)。再次参照图1，将描述PWM控制器130。PWM控制器130包括PWM比较器133、反馈电压发生器134和振荡器135。PWM控 制器130通过将由振荡器135产生的振荡器信号(OSC)与对应于反馈信息(FB)的反馈电 压(VF)作比较来控制功率开关(M)的导通/截止。功率开关(M)的开关操作频率与振荡 器信号(OSC)的频率相对应。振荡器135产生频率可随调制控制信号(lose)变化的振荡 器信号(OSC)。因此，功率开关(M)的开关操作频率随输入电压的纹波改变。反馈电压发生器134包括反馈电流源131以及电阻器Rl和R2。电压VCl是用于 反馈电流源131产生反馈电流(IF)的电压。连接端3连接到电阻器Rl的第一端。电阻器 Rl的第二端连接到电阻器R2的第一端以及比较器133的非反相端(+)，电阻器R2的第二 端接地。电阻器Rl和电阻器R2的节点处的电压是反馈电压(VF)。随着输出电压(Vout) 减小，流向光电晶体管(PT)的电流减小，并且流向电阻器Rl和电阻器R2的电流增大，以增 大反馈电压(VF)。随着输出电压(Vout)增大，流向光电晶体管(PT)的电流增大，并且流向 电阻器Rl和电阻器R2的电流减小，以减小反馈电压(VF)。因此，反馈电压(VF)可随输出 电压(Vout)变化。PWM比较器133将振荡器信号(OSC)与反馈电压(VF)作比较，以在振荡器信号(OSC)大于反馈电压(VF)时产生用于使功率开关(M)截止的栅控制信号(VGC)，并且在振 荡器信号(OSC)小于反馈电压(VF)时产生用于使功率开关(M)导通的栅控制信号(VGC)。栅驱动器140通过根据栅控制信号(VGC)将栅信号(VG)传输至功率开关(M)的 栅极来控制开关操作。栅驱动器140根据低栅控制信号(VGC)输出用于使功率开关(M)截 止的低栅信号(VG)，并对应于高栅控制信号(VGC)输出用于使功率开关(M)导通的高栅信 号(VG)。图8示出了用于描述根据本发明示例性实施例的功率开关(M)的开关操作的波形 图。如图8所示，在当振荡器信号(OSC)变得大于反馈电压(VF)时的时刻Tl，栅控制 信号(VGC)变低并且栅信号(VG)变低。于是，功率开关(M)截止。在当功率开关(M)截止 并且振荡器信号(OSC)变得小于反馈电压(VF)时的时刻T2，栅控制信号(VGC)变高并且栅 信号(VG)变高。于是，功率开关(M)导通。由于如上所述地执行功率开关(M)的开关操作， 所以振荡器信号(OSC)的频率确定开关操作频率。由于振荡器信号(OSC)的频率被根据输 入电压(Vin)的纹波调制，所以SMPS的开关操作频率也被输入电压(Vin)的纹波调制。现有的频率调制方法在不考虑输入电压(Vin)的纹波的情况下执行频率调制，使 得输出电压的纹波产生由频率调制以及输入电压(Vin)的纹波分量导致的输出电压的纹 波分量，因而产生更大的输出电压(Vout)的纹波。但是，由于通过使用输入电压(Vin)的纹 波来执行频率调制，所以输入电压(Vin)的纹波与通过执行频率调制产生的纹波被抵消， 从而降低了输出电压的纹波。因此，根据本发明示例性实施例的频率调制控制装置和SMPS能够降低EMI，并且 还能够降低输出电压的纹波。虽然已结合当前被认为实用的示例性实施例描述了本发明，但是应理解本发明不 限于所公开的实施例，相反，本发明意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种 变型和等同布置。
权利要求
一种频率调制控制装置，用于控制开关模式电源(SMPS)的开关操作频率调制，所述频率调制控制装置包括峰值检测器，用于接收与通过对SMPS的输入AC电压整流产生的输入电压相对应的感测电压，并检测和维持所述感测电压的峰值；纹波发生器，用于产生与所述峰值和所述感测电压之间的差成比例的电流纹波；以及调制控制信号发生器，用于通过使用从预定的基准电流减去所述电流纹波所产生的电流来产生调制控制信号。
2.如权利要求1所述的频率调制控制装置，其中，所述纹波发生器包括第一比较器，用于产生与所述峰值和所述感测电压之间的差相对应的差分电压； 控制器，用于根据所述差分电压选择预定的增益，并通过将所述增益乘以所述差分电 压来产生纹波控制信号；以及电流变换器，用于根据所述纹波控制信号产生所述电流纹波。
3.如权利要求2所述的频率调制控制装置，其中，所述电流变换器包括 晶体管；连接在所述晶体管的发射极与地之间的电阻器；以及第二比较器，用于通过使用所述纹波控制信号和所述电阻器来控制流向所述晶体管的 电流纹波。
4.如权利要求2所述的频率调制控制装置，其中，当所述差分电压的幅值小于预定的基准幅值时，根据所述差分电压设置所述增益，以 将所述纹波控制信号的幅值控制为所述基准幅值。
5.如权利要求2所述的频率调制控制装置，其中，根据所述差分电压设置所述增益，使得所述纹波控制信号的幅值能够为所述预定的基 准幅值，并维持所述纹波控制信号的幅值。
6.如权利要求1所述的频率调制控制装置，其中，所述调制控制信号发生器包括 基准电流源，用于供给所述基准电流；加减单元，用于产生通过将所述电流纹波叠加到所述基准电流或者从所述基准电流减 去所述电流纹波所产生的电流；以及受控电流源，用于接收由所述加减单元产生的电流，并产生与该电流相对应的调制控 制信号。
7.一种开关模式电源(SMPS)，包括 功率开关变压器，用于根据所述功率开关的开关操作将初级线圈的功率传输到次级线圈； 连接到所述变压器的次级线圈的反馈电路，用于产生与所述次级线圈的电压相对应的 反馈信息；以及开关控制器，用于通过使用所述反馈信息和传输到所述变压器的初级线圈的输入电压 的纹波来控制所述功率开关的开关操作，并调制开关操作频率。
8.如权利要求7所述的SMPS，其中，所述开关控制器包括频率调制控制装置，用于将对应于所述反馈信息的反馈电压与用于控制所述开关操作 频率的振荡器信号作比较，根据比较结果使所述功率开关导通或截止，并使用所述输入电压的纹波来调制所述振荡器信号的频率。
9.如权利要求8所述的SMPS，其中，所述频率调制控制装置包括峰值检测器，用于接收与所述输入电压相对应的感测电压，并感测和维持所述感测电 压的峰值；纹波发生器，用于产生与所述峰值和所述感测电压之间的差成比例的电流纹波；以及 调制控制信号发生器，用于通过使用从预定的基准电流减去所述电流纹波所产生的电 流来产生调制控制信号，其中，所述振荡器信号的频率根据所述调制控制信号而增大/减小。
10.如权利要求9所述的SMPS，其中，所述纹波发生器包括第一比较器，用于产生与所述峰值和所述感测电压之间的差相对应的差分电压； 控制器，用于根据所述差分电压选择预定的增益，并通过将所述差分电压乘以所述增 益来产生纹波控制信号；以及电流变换器，用于根据所述纹波控制信号产生所述电流纹波。
11.如权利要求10所述的SMPS，其中，所述电流变换器包括 晶体管；连接在所述晶体管的发射极与地之间的电阻器；以及第二比较器，用于通过使用所述纹波控制信号和所述电阻器来控制流向所述晶体管的 电流纹波。
12.如权利要求10所述的SMPS，其中，当所述差分电压的幅值小于预定的基准幅值时，根据所述差分电压设置所述增益，以 将所述纹波控制信号的幅值控制为所述基准幅值。
13.如权利要求10所述的SMPS，其中，根据所述差分电压设置所述增益，以将所述纹波控制信号的幅值控制为预定的基准幅 值，并维持所述纹波控制信号的幅值。
14.如权利要求9所述的SMPS，其中，所述调制控制信号发生器包括 基准电流源，用于供给所述基准电流；加减单元，用于产生通过将所述电流纹波叠加到所述基准电流或者从所述基准电流减 去所述电流纹波所产生的电流；以及受控电流源，用于接收由所述加减单元产生的电流，并产生与该电流相对应的调制控 制信号。
15.一种用于调制开关模式电源(SMPS)的开关操作频率的方法，包括接收与通过对SMPS的输入AC电压整流产生的输入电压相对应的感测电压，并感测和 维持所述感测电压的峰值；产生与所述峰值和所述感测电压之间的差成比例的电流纹波； 通过使用从预定的基准电流减去所述电流纹波或将所述电流纹波叠加到预定的基准 电流所产生的电流来产生调制控制信号；产生频率根据所述调制控制信号增大/减小的振荡器信号；以及 根据所述振荡器信号控制所述SMPS的功率开关的开关操作。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述产生电流纹波包括产生与所述峰值和所述感测电压之间的差相对应的差分电压； 根据所述差分电压选择预定的增益，并通过将所述差分电压乘以所述增益来产生纹波 控制信号；以及根据所述纹波控制信号产生所述电流纹波。
17.如权利要求16所述的方法，其中，当所述差分电压的幅值小于所述预定的基准幅值时，根据所述差分电压设置所述增 益，以将所述纹波控制信号的幅值控制为所述基准幅值。
18.如权利要求16所述的方法，其中，根据所述差分电压设置所述增益，以将所述纹波控制信号的幅值控制为所述预定的基 准幅值，并维持所述纹波控制信号的幅值。
全文摘要
本发明涉及用于降低输出电压纹波的开关操作频率调制。本发明使用输入电压的纹波来调制开关模式电源的开关操作频率。接收与输入电压相对应的感测电压，产生与感测电压的峰值和感测电压之间的差成比例的电流纹波，并产生可随该电流纹波变化的调制控制信号。本发明通过使用可随调制控制信号变化的振荡器信号来调制开关频率，并降低输出电压纹波。
文档编号H02M7/219GK101931334SQ20101020376
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月12日 优先权日2009年6月18日
发明者具官本, 李光一, 金镇兑 申请人:快捷韩国半导体有限公司