专利名称：用于减少来自环振荡的emi的切换功率转换器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及切换功率转换器并且更具体地涉及减少切换功率转换器中的环振荡所引起的EMI (电磁干扰)。
背景技术：
紧凑而高效的切换电源由于它们赋予紧凑型和高操作效率而越来越受欢迎。低效率线性电源使用高耗散串联调整元件以实现输出调节。切换电源通过控制功率开关的接通和关断功率循环、在维持输出调节之时向负载递送数量精确的能量来实现高效率。接通和关断循环的定时决定切换电源的操作效率。通常经由公知的调制技术(以脉宽调制和/或脉频调制最出名)实现对接通和关断循环的控制。功率晶体管如双极晶体管或者MOSFET 器件被运用作为切换电源中的切换器件，并且运用于诸如回扫、降压、升压、降压-升压等多种常规拓扑之一中。希望以高操作频率操作切换功率转换器以便减少功率转换和滤波器部件的尺寸。 这些部件包括功率变换器和电感器以及输出滤波部件如晶体管和电感器。根据切换功率转换器的拓扑、输出功率和其他因素，切换电源的典型操作频率范围从IOKHz到2MHz。然而，切换电源的高操作频率所导致的一个弊端在于生成由切换电源电路中存在的寄生元件产生的高频振荡噪声。高频振荡噪声的频率通常比切换电源的操作频率高许多倍。另外，切换功率转换器的EMI滤波器电路被设计成在切换功率转换器的操作频率最有效，因此对抑制寄生元件所引起的高频振荡噪声无效。因此，需要附加电路以具体抑制和吸收高频振荡噪声。用于抑制切换功率转换器中的高频振荡噪声的常规技术包括使用频率与高频振荡噪声匹配的专用EMI滤波器(比如共模电感器)或者电阻器和电容器(RC)缓冲器电路。 该技术具有若干缺点。首先，它们被设计成吸收噪声能量，因此有耗散，从而负面地影响切换电源的操作效率。第二，造成高频振荡噪声的寄生元件随部件变化并且因此随电源变化。 这与缓冲器电路部件的部件容差组合尤其是在大量制造的产品中限制缓冲器电路的有效性。第三，缓冲器电路或者专用EMI滤波器增添切换电源的成本和复杂性。高频振荡噪声是EMI和RFI (射频干扰)噪声的主因。在AC到DC电源的情况下， 希望防止噪声传向AC电源线，因为它负面地影响连接到AC电源线的其他设备的操作。AC 到DC切换电源经常包括定位于AC电源线与生成EMI的切换电路之间的EMI滤波器电路。 EMI滤波器被具体设计成吸收切换电源所产生的EMI能量并且防止EMI能量传向AC电源线。这同样具有与上述的缓冲器电路或者专用EMI滤波器有耗散、由于部件容差而有效性有限并且增添系统成本和复杂性的相同弊端。例如考虑图IA中所示常规切换电源，该图示出了常规AC到DC回扫切换电源100。 功率转换器100包括主要三节，即前端、功率级和次级。前端直接连接到AC电压源101，并且包括EMI滤波器102、桥接整流器103和大容量电容器124。前端这一节的输出是未调节
4的DC输入电压104。EMI滤波器102—般由两个线到线电容器150、152和共模电感器巧4 代表，但是设计可以按照电源设计变化。功率级包括功率变换器111、功率开关107和开关控制器105。功率变换器111包括初级绕组113、次级绕组114和寄生电容112。除了开关元件162之外，功率开关107包括寄生开关电容108。开关控制器105经由控制信号106对功率开关107的接通和关断状态的控制来维持输出调节。电源控制器105可以运用多种公知调制技术中的任何调制技术 (比如脉宽调制(PWM)和脉频调制(PFM))以控制功率开关107的接通和关断状态以及占空比。次级包括输出整流器116和输出滤波器117。输出滤波器117 —般由两个输出滤波电容器156、158和输出滤波电感器160代表，但是设计可以变化。向负载119递送所得调节输出电压118。图IB图示了图IA的回扫切换电源100的基本操作波形。如上文说明的那样，开关控制器105输出控制信号106(以电压形式)，该控制信号限定功率开关107的接通和关断状态。初级电流110图示了经过功率开关107和初级绕组113的电流。参照图IB并结合图1A，当控制信号106为高、因此功率开关107在接通状态下时，初级电流110斜升。初级电流110的斜升速率主要基于DC输入电压104和初级绕组113的磁化电感。在功率开关107两端的电压图示为开关电压109。当功率开关107在接通状态下时，开关电压109等于0伏特(未包括比如功率开关107的漏-源电阻Rds-on这样的因素所产生的电压)。另外，输出整流器116反偏，并且输出电流115等于OA。因此，在功率开关108在接通状态下之时，能量存储于功率变换器111中。当控制信号为0伏特(低)并且功率开关107切换成关断状态时，输出整流器116变成正偏，并且基于初级绕组113和次级绕组114的匝数比向次级侧递送功率变换器111中存储的能量。由于存储在功率变换器111中的能量被递送给次级，次级电流115骤升、然后开始斜降。当存储在功率变换器111中的所有能量被递送给次级时，次级电流115变成等于0，该点也称为变换器重置点126。如果功率开关107保持于关断状态下超出变换器重置点126，则开关电压109表现高频振铃，这一般在电压振铃时段125期间出现。一般在电压振铃时段125期间出现的高频噪声由切换电源电路中的寄生元件引起并且主要由初级绕阻113的磁化电感、初级绕组113的寄生电容112和开关电容108引起。图IC是初级绕阻113的磁化电感、初级绕组113的寄生电容112和开关电容108的简化等效电路。如图IC中.所示，当功率开关107关断时，寄生电容108和寄生电容112串联耦合到初级绕组113的磁化电感，并且在电压振铃时段125期间生成高频噪声。高频噪声一般在频率上比切换电源100的操作频率高许多倍，并且是EMI/RFI噪声的主因。这需要专用滤波电路吸收这些寄生元件所引起的噪声能量。EMI滤波器102主要负责吸收EMI 噪声能量以便防止切换电源100所产生的EMI噪声传向AC电压源101。
发明内容
本发明的实施例包括一种切换功率转换器，其中通过在切换功率转换器的各切换循环的某一部分期间启用旁路电路来将切换功率转换器中的变换器的寄生元件旁路。在一个实施例中，切换功率转换器包括变换器，具有电感和寄生电容；第一开关，耦合到变换器并且配置成经由变换器将负载耦合到电源或者将负载从电源去耦合；开关控制器，耦合到开关并且配置成生成用于根据切换循环接通或者关断第一开关的开关驱动信号；以及旁路电路，配置成针对寄生元件如寄生电容提供旁路路径。旁路控制器耦合到旁路电路和开关控制器。旁路控制器从开关控制器接收控制接口信号并且配置成生成用于启用或停用旁路电路的旁路控制信号。旁路电路可以与切换功率转换器的变换器的辅助绕组、初级绕组或者次级绕组并联耦合。在一个实施例中，旁路控制器生成旁路控制信号以在切换功率转换器的各切换循环内的变换器重置点之后启用旁路电路。在另一实施例中，旁路控制器生成旁路控制信号以在切换功率转换器的各切换循环内的零电压切换点之后启用旁路电路。在又一实施例中，旁路控制器生成旁路控制信号以在各切换循环内在后续切换循环的开始之前停用旁路电路。根据本发明各种实施例的切换功率转换器具有在旁路电路被启用时明显减少高频振铃的优点。因而也明显减少EMI。在说明书中描述的特征和优点并非囊括，并且具体而言，本领域普通技术人员鉴于附图、说明书和权利要求书将清楚许多附加特征和优点。另外应当注意，在说明书中使用的语言被选择主要用于可读性和指导的目的，而可能并未被选择用来界定或者限制发明主题内容。
通过结合附图参照下文具体描述可以容易理解本发明实施例的教导。图IA图示了常规AC到DC回扫切换电源。图IB图示了图IA的常规回扫切换电源的操作波形。图IC图示了图IA的常规回扫切换电源中的初级绕组的磁化电感、初级绕组的寄生电容和开关电容的简化等效电路。图2A图示了根据本发明第一实施例的回扫切换功率转换器。图2B图示了图2A的回扫切换电源的操作波形。图2C图示了根据本发明第二实施例的回扫切换功率转换器。图2D图示了根据本发明第三实施例的回扫切换功率转换器。图2E图示了根据本发明第四实施例的回扫切换功率转换器。
具体实施例方式附图和下面的描述仅通过示例涉及本发明的优选实施例。应当注意，根据下面的讨论，将容易认识到这里公开的结构和方法的替代实施例作为可以在不脱离要求保护的发明原理时运用的可行替代实施例。现在将具体参照本发明的若干实施例，在附图中图示了这些实施例的例子。注意， 只要适用，相似或者相近参考标号都可以使用于图中，并且可以表明相似或者相近功能。附图仅出于示例的目的描绘本发明的实施例。本领域技术人员将根据下文描述容易认识到可以运用这里所示结构和方法的替代实施例而不脱离这里描述的发明原理。根据本发明的各种实施例，运用非耗散电路以防止在切换电源中生成高频噪声。感测当在切换电源中通常将生成高频环振荡时的状况，并且当出现这样的状况时将切换电源的寄生元件旁路。旁路电路用来将切换电源的这样的寄生元件有效旁路以防止生成高频噪声。控制电路确定旁路电路的接通或者关断的最优定时以免负面地影响切换电源的操作。防止生成高频噪声减少EMI和RFI噪声，并且消除或者减少对EMI和RFI滤波以及其他抑制电路的需要，由此减少切换电源设计的尺寸、成本和复杂性。图2A图示了根据本发明第一实施例的AC到DC回扫切换功率转换器200。功率转换器200包括主要四节前端、功率级、次级和寄生旁路电路。在一个实施例中，功率转换器 200通过PWM来控制并且将初级侧感测用于反馈。前端直接连接到AC电压源201，并且包括EMI滤波器202、桥接整流器203和大容量电容器224。前端这一节接收AC电压源201并且生成未调节DC输入电压204。EMI滤波器202 —般由两个线到线电容器250、252和共模电感器2M代表，但是设计可以根据具体设计要求按照电源设计变化。功率级包括功率变换器211、功率开关207和控制器205。功率变换器211包括初级绕组213、次级绕组214、寄生电容212和辅助绕组220。除了开关元件262之外，功率开关207包括寄生开关电容208。控制器205经由控制信号206对功率开关207的接通和关断状态及其切换定时的控制在切换电源200中启用输出调节。控制器205可以运用常规调制技术中的任何一种或者多种调制技术，比如脉宽调制(PWM)或者脉频调制(PWM)。次级包括输出整流器216和输出滤波器217。输出滤波器217—般由两个输出滤波电容器256、258和输出滤波电感器260代表，但是设计可以变化。向负载219递送所得调节输出电压218。寄生旁路电路包括环钳位开关221和旁路控制器223。环钳位开关221在变换器 211的辅助绕组220两端与辅助绕组220并联连接。旁路控制器223经由环钳位开关控制信号222控制环钳位开关221的接通/关断状态和转变定时。旁路控制器223基于从控制器205接收的控制接口信号2 确定接通或者关断环钳位开关221的适当定时以减少切换电源200中的振铃。当环钳位开关221接通时，辅助绕组220被短路和旁路，并且形成用于寄生电容212的旁路。当环钳位开关221关断时，辅助绕组220执行它的正常功能。下文将参照图2B更具体说明寄生旁路电路的操作，该示了根据本发明一个实施例的图2A的回扫切换电源的操作波形。参照图2A和图2B，控制器205输出控制信号 206，该控制信号确定功率开关207的接通和关断状态及其接通/关断转变定时。初级电流 210是经过初级绕组213和功率开关207的电流。如图2B中所示，当控制信号206具有高电压、因此功率开关207在接通状态下时， 初级电流210斜升。初级电流210的电流斜率主要基于DC输入电压204和初级绕组213 的磁化电感。开关电压209是在功率开关207两端的电压。当功率开关207在接通状态中时，开关电压209等于OV (未包括比如Rds-on这样的因素所产生的电压)。另外，输出整流器216反偏，因此输出电流215等于OA。在这一时间期间，能量存储于功率变换器211中。当控制信号206具有低电压并且功率开关207切换到关断状态时，输出整流器216 变成正偏，并且基于初级绕组213和次级绕组214的匝数比向次级递送功率变换器211中存储的能量。由于存储在功率变换器211中的能量被递送给次级，所以次级电流215骤升， 然后斜降。当存储在功率变换器211中的所有能量被递送给次级时，次级电流215等于OA。这一点称为变换器重置点2 并且在切换功率转换器200的各切换循环内出现。如上文说明的那样，如果功率开关207保持于关断状态下超出变换器重置点226， 则开关电压209通常将表现高频振铃。高频振铃或者噪声将主要由初级绕组213的寄生电容212、初级绕组213的磁化电感和开关电容208引起，并且一般在振铃时段225期间出现。 然而根据本发明的实施例，通过使用寄生旁路电路来防止这样的高频振铃。具体而言，环钳位控制器223从控制器205接收控制接口信号229，并且感测这样的高频振铃如果未被防止则可能出现的定时。由于控制器205生成控制信号206，该控制信号使图2B的各种信号206、210、209、215和222的波形最终在开关功率转换器200中出现并且尤其是开关电压209，所以控制器205可以经由控制接口信号229向环钳位控制器223 提供这样的定时信息。在一个实施例中，控制接口信号229以数字数据的形式提供这样的定时信息，并且环钳位控制器223也可以实施于数字电路或者状态机中。在另一实施例中， 环钳位控制器223可以基于对变换器211的一个或者多个绕组上的电压或者电流的直接感测来接通或者关断环钳位开关221而不使用控制接口信号229。环钳位控制器223感测寄生元件所引起的这样的高频振铃如果未被防止则将出现的定时(一般由振铃时段225代表)。在一个实施例中，在预测这样的振铃时段225时， 环钳位控制器223在切换功率转换器200的各切换循环内的变换器重置点2 之后经由环钳位控制信号222将环钳位开关221置于接通状态下，直至下一切换循环的开始观9。环钳位控制信号222的高电压将环钳位开关221置于接通状态下。当环钳位开关221接通时， 它有效产生寄生元件如寄生电容212的旁路。在振铃时段225期间将寄生元件旁路明显减少高频振铃电压的量值，从而造成减少切换电源200所生成的EMI和RFI噪声。这消除或者减少可能需要的附加耗散滤波数量。注意旁路开关221与辅助绕组220 —起使用以便允许使用低额定电压的环钳位开关220。环钳位控制器223可以使用各种参数以便确定将环钳位开关221置于接通状态下的最优时间。例如，环钳位控制器223可以在预测振铃时段225时感测变换器重置点2 并且将环钳位开关221置于接通状态下并且超出变换器重置点226。类似地，环钳位控制器 223可以感测零电压切换点227 (开关电压209与DC输入电压204相等的点)并且将环钳位开关221置于接通状态下并且超出零电压切换点227。另外，旁路控制器223也可以使用各种参数以确定将环钳位开关221置于关断状态下的最优时间。例如，将希望让功率开关207和环钳位开关221同时在接通状态下，因此旁路控制器223在各切换循环中在下一切换循环的开始289之前(即，在控制信号206在下一切换循环中再次变高时之前)将环钳位开关221置于关断状态下。注意可以经由使能信号/管脚(这里未示出)启用或停用环钳位控制器223。图2C图示了根据本发明第二实施例的回扫切换功率转换器。图2C的切换功率转换器300与图2A的切换功率转换器200基本上相同，而不同在于环钳位开关271置于初级绕组213两端与初级绕组213并联(并且因此与寄生电容212并联)。因此，当环钳位开关271置于接通状态下时，直接经过环钳位开关271形成寄生元件如寄生电容212的旁路。 可以用与如图2B的波形中所示的在图2A的第一实施例中基本上相同的方式进行对切换功率转换器300的各种元件、环钳位开关271及其定时的控制。图2D图示了根据本发明第三实施例的回扫切换功率转换器。图2D的切换功率转换器400与图2A的切换功率转换器200基本上相同，而不同在于环钳位开关281置于次级绕组214两端与次级绕组214并联。当环钳位开关281置于接通状态下时，直接经过环钳位开关281形成寄生元件如寄生电容212的旁路。具体而言，在环钳位开关281接通之时， 剩余能量在变换器211中被旁路，并且初级绕组213的阻抗很低(因为磁场被短路)。因而振铃也被旁路。可以用与如图2B的波形中所示的在图2A的第一实施例中基本上相同的方式进行对切换功率转换器400的各种元件、环钳位开关281及其定时的控制。图2E图示了根据本发明第四实施例的回扫切换功率转换器。图2E的切换功率转换器500与图2A的切换功率转换器200基本上相同，而不同在于辅助绕组220的相位与在图2A的第一实施例中相反。当环钳位开关221置于接通状态下时，直接经过环钳位开关 221形成寄生元件如寄生电容212的旁路。可以用与如图2B的波形中所示的在图2A的第一实施例中基本上相同的方式进行对切换功率转换器500的各种元件、环钳位开关221及其定时的控制。这里公开和描述的方法和实施例可以应用于变换器耦合切换功率转换器，比如回扫转换器。此外，直接耦合功率转换器(比如升压、降压/升压和SEPIC(单端初级电感器转换器)功率转换器)也可以受益于主动防止如切换电源电路中的寄生元件所引起的高频噪声。在阅读本公开内容时，本领域技术人员将理解用于减少切换功率转换器中的噪声和EMI/RFI的更多附加替代设计。因此，尽管已经图示和描述本发明的特定实施例和应用， 但是将理解本发明并不限于这里公开的精确构造和部件，并且可以在这里公开的本发明的方法和装置的布置、操作和细节上进行本领域技术人员将清楚的各种修改、改变和变化而不脱离如在所附权利要求书中限定的本发明的精神实质和范围。
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权利要求
1.一种切换功率转换器，包括变换器，包括寄生电容；第一开关，耦合到所述变换器并且配置成经由所述变换器将负载耦合到电源或者将负载从电源去耦合；开关控制器，耦合到所述第一开关并且配置成生成用于根据切换循环接通或者关断所述第一开关的开关驱动信号；以及旁路电路，配置成针对所述变换器的所述寄生电容提供旁路路径。
2.根据权利要求1所述的切换功率转换器，还包括旁路控制器，耦合到所述旁路电路和所述开关控制器，所述旁路控制器从所述开关控制器接收控制接口信号并且配置成基于所述控制接口信号生成用于启用或停用所述旁路电路的旁路控制信号。
3.根据权利要求2所述的切换功率转换器，其中所述旁路控制器生成所述旁路控制信号以在所述切换功率转换器的各切换循环内的变换器重置点之后启用所述旁路电路，所述变换器重置点对应于经过所述负载的电流在各切换循环中等于零的时候。
4.根据权利要求2所述的切换功率转换器，其中所述旁路控制器生成所述旁路控制信号以在所述切换功率转换器的各切换循环内的零电压切换点之后启用所述旁路电路，所述零电压切换点对应于在所述第一开关两端的电压在各切换循环中等于供给所述切换功率转换器的DC输入电压的时候。
5.根据权利要求2所述的切换功率转换器，其中所述旁路控制器生成所述旁路控制信号以在各切换循环内在后续切换循环的开始之前停用所述旁路电路。
6.根据权利要求2所述的切换功率转换器，其中所述控制接口信号包括关于所述第一开关在各切换循环中何时接通或者关断的定时信息。
7.根据权利要求1所述的切换功率转换器，其中基于对所述变换器的绕组中的电压或者电流的直接感测启用或停用所述旁路电路。
8.根据权利要求1所述的切换功率转换器，其中所述旁路电路包括与所述变换器的辅助绕组并联耦合的第二开关，所述旁路路径在所述第二开关接通时包括所述第二开关。
9.根据权利要求1所述的切换功率转换器，其中所述旁路电路包括与所述变换器的初级绕组并联耦合的第二开关，所述旁路路径在所述第二开关接通时包括所述第二开关。
10.根据权利要求1所述的切换功率转换器，其中所述旁路电路包括与所述变换器的次级绕组并联耦合的第二开关，所述旁路路径在所述第二开关接通时包括所述第二开关。
11.根据权利要求1所述的切换功率转换器，其中所述开关功率转换器是在所述变换器的初级侧出现反馈感测的回扫切换功率转换器。
12.—种控制切换功率转换器的方法，所述切换功率转换器包括变换器，具有寄生电容；第一开关，耦合到所述变换器并且配置成经由所述变换器将负载耦合到电源或者将负载从电源去耦合；开关控制器，耦合到所述开关并且配置成生成用于根据切换循环接通或者关断所述开关的开关驱动信号；以及旁路电路，配置成针对所述变换器的所述寄生电容提供旁路路径，所述方法包括确定所述切换功率转换器的各切换循环内的与在所述第一开关两端的电压关联的定时；以及基于各切换循环内的所述确定的定时启用或停用所述旁路电路。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述切换功率转换器的各切换循环内的变换器重置点之后启用所述旁路电路，所述变换器重置点对应于经过所述负载的电流在各切换循环中等于零的时候。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述切换功率转换器的各切换循环内的零电压切换点之后启用所述旁路电路，所述零电压切换点对应于在所述第一开关两端的电压在各切换循环中等于供给所述切换功率转换器的DC输入电压的时候。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括在各切换循环内在后续切换循环的开始之前停用所述旁路电路。
16.根据权利要求12所述的方法，其中基于对所述变换器的绕组中的电压或者电流的直接感测启用或停用所述旁路电路。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述旁路电路包括与所述变换器的辅助绕组并联耦合的第二开关，所述旁路路径在所述第二开关接通时包括所述第二开关。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述旁路电路包括与所述变换器的初级绕组并联耦合的第二开关，所述旁路路径在所述第二开关接通时包括所述第二开关。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述旁路电路包括与所述变换器的次级绕组并联耦合的第二开关，所述旁路路径在所述第二开关接通时包括所述第二开关。
20.根据权利要求12所述的方法，其中所述开关功率转换器是在所述变换器的初级侧出现反馈感测的回扫切换功率转换器。
全文摘要
一种切换功率转换器包括(200，300，400，500)包括变换器(211)，具有寄生电容(212)；第一开关(207)，耦合到变换器(211)并且配置成经由变换器(211)将负载(219)耦合到电源或者将负载(219)从电源去耦合；开关控制器(205)，耦合到第一开关(207)并且配置成生成用于根据切换循环接通或者关断第一开关(207)的开关驱动信号(206)；以及旁路电路，配置成针对寄生元件如寄生电容(212)提供旁路路径。旁路电路可以与变换器(211)的辅助绕组(220)、初级绕组(213)或者次级绕组(214)并联耦合。当启用旁路电路时减少高频振铃和EMI/RFI。
文档编号H02M7/12GK102239628SQ200880132221
公开日2011年11月9日 申请日期2008年12月3日 优先权日2008年12月3日
发明者郑军, 郭勇辉, 郭华明 申请人:艾沃特有限公司