专利名称：一种pfm开关电源及其抖频电路与抖频方法
技术领域：
本发明涉及集成电路制作工艺技术领域，更具体地说，涉及一种PFM开关电源及其抖频电路与抖频方法。
背景技术：
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管导通和截止的时间比率，维持稳定输出的一种电路装置。其中，常见的一种开关电源为具有恒流恒压工作模式的脉冲频率调节(PFM)开关电源，即所述开关电源通过PFM来控制开关管的导通和截止，维持稳定输出，从而使整个开关电源系统工作在恒压或是恒流模式。PFM开关电源具有较高的电压变化率和电流变化率，并且其变压器存在寄生电容和寄生电感，对周围的器件形成电磁干扰(EMI )，所以需要采用抖动开关频率的方法来优化其电磁兼容性(EMC )。开关电源的开关周期(Tsw)等于原边导通时间(Tonp)、副边导通时间(Tons)和断续时间(Tdis)之和，而原边导通时间和副边导通时间都与原边峰值电流呈正比关系。现有技术通常采用固定的原边峰值电流，从而固定了原边导通时间和副边导通时间，开关电源的开关周期的改变只依靠断续时间的变化来实现。参考图1，图I为现有技术中一种常见的具有恒流恒压工作模式的PFM开关电源的电路图。所述开关电源通过整流器件200以及输入电容Cin将交流输入信号Vac转变为直流输入信号Vin，所述直流输入信号Vin为PFM控制器201提供工作电压。所述开关电源通过辅助线圈206两端的电压表征副边线圈205两端的电压，所述PFM控制器201通过电阻网络(包括电阻209和电阻210)获取辅助线圈206两端的电压，根据所述电压输出控制信号控制开关管202的导通状态，从而控制原边线圈204的电流或电压，进而保证与副边线圈205连接负载电路两端输出电压Vout或输出电流Iout的稳定。参考图2，图2为图I中所示开关电源的PFM控制器的功能框图。所述PFM控制器201包括原边峰值电流检测比较器301，Tons检测器302，Tons延时模块303，第一电流源 304和第二电流源305，第一传输门306和第二传输门307，电容308，恒流控制比较器309，误差放大器310，断续时间产生模块311，第一 R-S触发器312和第二 R-S触发器313，保护模块314，三输入或非门315，驱动模块316。参考图I和图2，当信号PFM为逻辑高电平，PFM控制器201的OUT端变为高电平，开关管202导通，流过电流检测电阻203的电流变大，电阻203两端的电压随之上升。当电流检测电阻203上的电压信号Vcs超过参考电压(一般为0. 9V)时，原边峰值电流检测比较器301的输出为逻辑高电平；反之为逻辑低电平。原边峰值电流检测比较器301的输出信号SHUTD，所述信号SHUTD将R-S触发器313的输出信号CV CTRL置I。CV CTRL输入到或三输入非门315，三输入或非门315的输出信号PFM。此时信号PFM变为逻辑低电平，PFM控制器201的OUT端变低，功率晶体管202截止。参考图3，图3为图I中所示开关电源的断续时间的输出特性曲线图，横线表示开关电源的输出电压的采样值，阶梯状虚线表示电荷泵的充电曲线，两者交点的横坐标表示特定负载下的断续时间。其中，横坐标表示时间，纵坐标表示电压值。从图3中可以看出，电荷泵呈阶梯状上升，在台阶跃变点对应的负载点上，一个输出电压只对应一个断续时间，即一个负载点对应了一个系统的开关周期，系统没有发生频率抖动。在台阶平台对应的负载点上，一个输出电压对应多个断续时间，即一个负载点对应了多个系统的开关周期，系统发生频率抖动。可见，现有的开关电源只能在某些负载点上通过断续时间的变化来实现开关周期的变化从而实现其频率的抖动。然而，所述电荷泵的充电电压不易控制，即图3中所示阶梯状虚线的台阶宽度不能够被控制，从而导致基于上述机理的频率抖动的范围不易控制，导致开关电源的电磁兼容性较差。通过上述分析可知，现有技术只能在某些负载点上实现PFM开关电源的开关频率抖动时，且其频率抖动不易控制，开关电源的电磁兼容性较差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种PFM开关电源及其抖频电路与抖频方法，以实现所述开关电源的开关频率在所有的负载点上发生可控制的周期性抖动，从而使得所 述开关电源具有较好的电磁兼容性。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案一种PFM开关电源的抖频电路，包括频率抖动模块，所述频率抖动模块与所述开关电源的原边峰值电流检测比较器连接，用于改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变所述原边峰值电流检测比较器的原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。优选的,在上述电路中,所述频率抖动模块包括参考电压提供单元，所述参考电压提供单元与所述原边峰值电流检测比较器连接；参考电压控制器，所述参考电压控制器用于改变所述参考电压提供单元的输出电压，从而改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变所述原边峰值电流检测比较器的原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。优选的，在上述电路中，所述参考电压提供单元为多个并联的电压源，每个电压源通过一个与之对应的开关与所述原边峰值电流检测比较器连接；通过所述参考电压控制器控制所述开关的开关状态，从而改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变所述原边峰值电流检测比较器的原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。优选的，在上述电路中，所述参考电压提供单元包括第一电压源，所述第一电压源通过第一开关与所述原边峰值电流检测比较器连接；第二电压源；所述第二电压源通过第二开关与所述原边峰值电流检测比较器连接；所述参考电压控制器为伪随机码发生器，用于产生一个周期变化的控制信号，控制所述第一开关以及第二开关的开关状态，从而改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压。优选的，在上述电路中，所述伪随机码发生器由6个串联的D触发器构成。优选的，在上述电路中，还包括
占空比调整模块，所述占空比调整模块与所述开关电源的恒流控制比较器连接；当所述开关电源工作在恒流模式时，所述占空比调整模块用于调整所述开关电源的副边导通时间与开关周期的比例，使所述开关电源的平均输出电流保持不变。优选的，在上述电路中，所述占空比调整模块包括恒流控制电流源，所述恒流电流源通过恒流控制传输门与所述恒流控制比较器连接；通过控制所述传输门的开关状态来调整所述开关电源的副边导通时间与开关周期的比例。本发明还提供了一种PFM开关电源的抖频方法，包括通过改变所述开关电源的原边峰值电流检测比较器的参考电压，改变原边导通时间和副边导通时间，使所述开关电源的开关频率发生抖动。优选的，在上述方法中，所述方法还包括
调整所述开关电源的副边导通时间与开关周期的比例，使所述开关电源工作在恒流模式时的平均输出电流保持不变。本发明还提供了一种PFM开关电源，其特征在于，包括变压器，具有用于耦合一个输入功率源的原边绕组、用于提供开关电源输出电压的副边绕组和一个辅助绕组；开关管，与所述原边绕组耦合；PFM控制器，与所述开关管连接并控制所述开关管的开和关；其中，所述PFM控制器包括权利要求1-7任一项所述的抖频电路。优选的，在上述开关电源中，所述开关管为功率晶体管。从上述技术方案可以看出，本发明所提供的PFM开关电源的抖频电路包括频率抖动模块，所述频率抖动模块与所述开关电源的原边峰值电流检测比较器连接，用于改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变所述原边峰值电流检测比较器的原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。开关电源的原边导通时间、副边导通时间与原边峰值电流呈正比关系，二者随原边峰值电流的变化而变化，且开关电源的开关周期主要取决去原边导通时间与副边导通时间，所以，当原边峰值电流发生变化时，所述开关电源的开关周期的变化范围主要由所述原边导通时间的变化范围和副边导通时间的变化范围决定，即此时所述开关电源的频率抖动范围由所述原边导通时间的变化范围和副边导通时间的变化范围决定，所述断续时间对开关电源的开关频率的影响可忽略不计。所述技术方案通过改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变所述原边峰值电流检测比较器的原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。通过设定所述参考电压的变化范围来控制所述原边峰值电流的变化范围，进而可以控制所述开关电源的频率抖动范围，使得采用所述抖频电路的开关电源的开关频率发生可控制的周期性抖动，从而使得所述开关电源具有较好的电磁兼容性。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为现有技术中常见的一种具有恒流恒压工作模式的PFM开关电源的电路图；图2为图I中所示开关电源的PFM控制器的电路；图3为图I中所示开关电源的断续时间的输出特性曲线图；图4为本发明实施例提供的一种PFM开关电源的抖频电路；图5为图4中所述抖频电路的参考电压控制器的电路图；图6为一种具有图4所示抖频电路的PFM控制器的电路图；图7为图4所示PFM控制恒流工作模式下的电压特性曲线图；·图8为本发明实施例提供的另一种PFM控制器的电路图。
具体实施例方式正如背景技术部分所述，现有的开关电源通过断续时间的变化来实现开关周期的变化从而实现其频率的抖动。但是，断续时间是由开关电源的输出电压的采样值与所述开关电源的电荷泵的充电电压决定。而所述电荷泵的充电电压不易控制，从而导致所述开关电源的开关周期的变化不易控制，即所述开关电源的频率抖动范围不易控制，导致其电磁兼容性较差。同时，如果图3中横线与阶梯曲线的交点在两个台阶的跃变点，此时一个输出电压只对应一个断续时间，开关电源的周期不变化，即所述开关电源的开关频率不会发生抖动，不能达到优化开关电源电磁兼容性的作用。发明人研究发现，在大部分负载点上，通过电荷泵充电曲线得出的断续时间都是单一的，即开关电源的开关周期不会抖动。并且在剩余的负载点上，即使可以映射多个断续时间，实现开关电源的开关周期的抖动也是随机的，不可控的。当原边峰值电流发生改变时，在全部负载点上，原边导通时间的变化范围与副边导通时间的变化范围都与原边峰值电流的变化范围呈比例关系，均可控，且此时断续时间的变化可忽略不计，开关周期的变化范围主要取决于原边导通时间的变化范围与副边导通时间的变化范围，即开关频率的抖动由原边导通时间的变化范围与副边导通时间的变化范围来决定。所以，通过控制参考电压的变化范围来控制原边峰值电流的变化范围即可控制原边导通时间的变化范围与副边导通时间的变化范围，从而使得开关电源的频率发生可控的周期性抖动，使其具有较好的电磁兼容性。基于上述研究，本发明提供了一种PFM开关电源抖频电路，包括频率抖动模块，所述频率抖动模块与所述开关电源的原边峰值电流检测比较器连接，用于改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变所述原边峰值电流检测比较器的原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。所述抖频电路通过控制参考电压的变化范围来控制原边峰值电流的变化范围即可控制原边导通时间的变化范围与副边导通时间的变化范围，从而使得开关电源的频率发生可控的周期性抖动，使其具有较好的电磁兼容性。以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。实施例一基于上述思想，本发明实施例提供了一种PFM开关电源的抖频电路，所述抖频电路包括频率抖动模块，所述频率抖动模块与所述开关电源的原边峰值电流检测比较器连接，用于改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变所述原边峰值电流检测比 较器的原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。其中，所述频率抖动模块包括参考电压提供单元，所述参考电压提供单元与所述原边峰值电流检测比较器连接；参考电压控制器，所述参考电压控制器用于改变所述参考电压提供单元的输出电压，从而改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变所述原边峰值电流检测比较器的原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。具体的，所述参考电压提供单元为多个并联的电压源，每个电压源通过一个与之对应的开关与所述原边峰值电流检测比较器连接；通过所述参考电压控制器控制所述开关的开关状态，从而改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变所述原边峰值电流检测比较器的原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。参考图4，图4为发明实施例提供的一种PFM开关电源的频率抖动模块的具体实现方式的电路图，为了更清楚的说明电路之间部件的连接关系，图4中示出了开关电源的原边峰值电流检测比较器301。所述频率抖动模块包括参考电压提供单元,所述参考电压提供单元包括第一电压源Ul以及第二电压源U2，其中，所述第一电压源Ul通过第一开关502与所述原边峰值电流检测比较器的负输入端连接；所述第二电压源U2通过第二开关503与所述原边峰值电流检测比较器的负输入端连接。所述频率抖动模块通过参考电压控制器501控制所述第一开关以及第二开关的开关状态改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变所述原边峰值电流检测比较器的原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。所述参考电压控制器501控制通过控制信号jitter控制所述第一开关以及第二开关的开关状态。具体的，所述参考电压控制器501根据输入信号elk生成所述控制信号jitter。所述控制信号jitter控制直接控制所述第一电压源Ul，所述控制信号jitter经过反相器504进行高低电平转换后控制所述第二电压源U2，保证在任意时刻所述第一开关502与第二开关503只有一个导通。当所述参考电压控制器501控制所述第一开关502导通，并控制所述第二开关503截止时，所述第一电压源Ul为所述原边峰值电流检测比较器301的负输入端提供第一参考电压Vl ;反之，当所述参考电压控制器501控制所述第一开关502截止，并控制所述第二开关503导通，所述第二电压源U2为所述原边峰值电流检测比较器301的负输入端提供第二参考电压V2。通过上+述方式改变开关电源的原边峰值电流检测比较器的负输入端的参考电压。其中，第一参考电压Vl与第二参考电压V2为两个具有设定差值的电压值。图4中未示出所述第一电压源Ul及第二电压源U2，仅示出了二者的输出电压V1、V2。参考图5，所述电压控制器501为伪随机码发生器，由6个串联的D触发器构成，通过一个输入信号elk控制所述电压控制器501，使其产生一个控制信号jitter。具体的，所述输入信号elk为周期是256us的方波信号,此时通过所述电压控制器501后生成一周期为(2~6_1) *256us控制信号jitter (即160128ms的方波信号)。通过所述控制信号jitter来控制所述第一开关502与第二开关503的开关状态，当所述控制信号jitter为逻辑高电平时，所述第一开关502导通，所述第二开关503截止，所述原边峰值电流检测比较器301的负输入端的参考电压为第一电压源Vl提供的第一参考电压Ul ;当所述控制信号jitter为逻辑低电平时，所述第一开关502截止，所述第二开 关503导通，所述原边峰值电流检测比较器301的负输入端的参考电压为第二电压源V2提供的第二参考电压U2，通过所述控制信号jitter来改变所述原边峰值电流检测比较器301的负输入端的参考电压，从而改变原边峰值电流的大小。需要说明的是，所述控制信号jitter的逻辑高电平与逻辑低电平的出现几率几乎相同，本发明实施例所示电路结构中，由于D触发器为010101这种情况不会出现，出现‘I’的次数比出现‘0’的次数多I。参考图6，图6为具有本发明技术方案所述抖频电路的PFM控制器的电路图。与现有的PFM控制器对比可知，图6所示PFM控制器增加了与开关电源的原边峰值电流检测比较器301连接的频率抖动模块317 (所述频率抖动模块电路图如图4所示)，所述频率抖动模块317为所述原边峰值电流检测比较器301的负输入端提供周期变化的参考电压，所述原边峰值电流检测比较器301的正输入端根据电流检测电阻203的电压信号Vcs以及当前参考电压输出控制信号SHUTD控制R-S触发器313。当为所述原边峰值电流检测比较器301的负输入端提供参考电压U，此时，原边导
通时间为
_(! ■ LmIonp 二了-
V 2 _ Vin _ Rcs副边导通时间为
I/ _ ImIons =-
Nps Vom Rcs其中，Lm为原边线圈204的电感值，Rcs为电流检测电阻203的电阻值，Ipk=U/Rcs为原边峰值电流，Nps原边线圈204与副边线圈205的匝数比。所述成正比。当改变参考电压U时，开关电源的开关周期发生变化，且变化范围主要由原边导通时间Tonp的变化范围与副边导通时间Tons的变化范围决定。本实施例所述抖频电路具有两个参考电压提供单元用于提供两个设定的参考电压第一参考电压Ul、第二参考电压U2。通过控制所述第一参考电压Ul与第二参考电压U2差值即可控制开关周期的变化范围，从而控制开关电源的频率抖动范围。
具体的，令第一参考电压Ul = U-厶1第二参考电压似=肝厶1则似州1=2厶1当所述参考电压控制器501输出的控制信号jitter为逻辑高电平时，所述第一开关502导通，第二开关503截止，所述原边峰值电流比较器301的负输入端输入参考电源Ul时，此时，原边峰值电流为
权利要求
1.一种PFM开关电源的抖频电路，其特征在于，包括 频率抖动模块，所述频率抖动模块与所述开关电源的原边峰值电流检测比较器连接，用于改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变所述原边峰值电流检测比较器的原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。
2.根据权利要求I所述的电路，其特征在于，所述频率抖动模块包括 参考电压提供单元，所述参考电压提供单元与所述原边峰值电流检测比较器连接； 参考电压控制器，所述参考电压控制器用于改变所述参考电压提供单元的输出电压，从而改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变所述原边峰值电流检测比较器的原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述参考电压提供单元为多个并联的电压源，每个电压源通过一个与之对应的开关与所述原边峰值电流检测比较器连接； 通过所述参考电压控制器控制所述开关的开关状态，从而改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变所述原边峰值电流检测比较器的原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述参考电压提供单元包括第一电压源，所述第一电压源通过第一开关与所述原边峰值电流检测比较器连接；第二电压源；所述第二电压源通过第二开关与所述原边峰值电流检测比较器连接； 所述参考电压控制器为伪随机码发生器，用于产生一个周期变化的控制信号，控制所述第一开关以及第二开关的开关状态，从而改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述伪随机码发生器由6个串联的D触发器构成。
6.根据权利要求I所述的电路，其特征在于，还包括 占空比调整模块，所述占空比调整模块与所述开关电源的恒流控制比较器连接；当所述开关电源工作在恒流模式时，所述占空比调整模块用于调整所述开关电源的副边导通时间与开关周期的比例，使所述开关电源的平均输出电流保持不变。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述占空比调整模块包括 恒流控制电流源，所述恒流电流源通过恒流控制传输门与所述恒流控制比较器连接；通过控制所述传输门的开关状态来调整所述开关电源的副边导通时间与开关周期的比例。
8.—种PFM开关电源的抖频方法，其特征在于，包括 通过改变所述开关电源的原边峰值电流检测比较器的参考电压，改变原边导通时间和副边导通时间，使所述开关电源的开关频率发生抖动。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 调整所述开关电源的副边导通时间与开关周期的比例，使所述开关电源工作在恒流模式时的平均输出电流保持不变。
10.一种PFM开关电源，其特征在于，包括 变压器，具有用于耦合一个输入功率源的原边绕组、用于提供开关电源输出电压的副边绕组、和一个辅助绕组； 开关管，与所述原边绕组耦合；PFM控制器，与所述开关管连接并控制所述开关管的开和关；其中，所述PFM控制器包括权利要求1-7任一项所述的抖频电路。
11.根据权利要求8所述的开关电源，其特征在于，所述开关管为功率晶体管。
全文摘要
本发明公开了一种PFM开关电源及其抖频电路与抖频方法，所述抖频电路包括频率抖动模块，所述频率抖动模块与所述开关电源的原边峰值电流检测比较器连接，用于改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变所述原边峰值电流检测比较器的原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。通过改变所述原边峰值电流检测比较器的参考电压，以改变原边峰值电流，使所述开关电源的开关频率发生抖动。通过设定所述参考电压的变化范围来控制所述原边峰值电流的变化范围，进而可以控制所述开关电源的频率抖动范围，使得采用所述抖频电路的开关电源的开关频率发生可控制的周期性抖动，从而使得所述开关电源具有较好的电磁兼容性。
文档编号H02M3/335GK102780392SQ201210269770
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者张骅, 费瑞霞 申请人:上海新进半导体制造有限公司