CN101399495A - 具有数字电磁干扰控制的开关电源 - Google Patents

Abstract

一种在开关电源被安装到系统之前或之后对该开关电源编程以控制电磁干扰的方法。开关电源包括至少一个开关装置和一个数字控制器。数字控制器基于一个或多个可编程参数调整至少一个开关装置的开关频率。该方法包括通过用户接口用一个或多个可编程参数对数字控制器编程。可编程参数定义开关频率调整以控制电磁干扰。

Description

具有数字电磁干扰控制的开关电源

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年9月29日申请的专利申请号为60/976,420的美国临时申请的优先权，该申请的全部内容作为参考并入到本申请文件中。

技术领域

本申请涉及开关电源和对开关电源产生的电磁干扰(EMI)进行控制。

背景技术

本节的陈述仅仅提供与本申请有关的背景信息，而不一定等同于现有技术。

开关电源一般包括一个或多个开关装置。开关装置典型地由具有快速上升时间和快速下降时间的脉冲宽度调制信号来控制。在使用中，开关装置产生电磁干扰(EMI)。通过使用例如电阻器、电感器和电容器等特定的离散电路部件调整开关装置的开关频率，可以降低EMI。这些离散部件是为了特定的电源应用来选择和设计的。还利用离散滤波元件、部件布局以及屏蔽来降低开关电源中的EMI。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种用于给负载提供电流的开关电源包括：用于接收输入电压的输入端、至少一个连接到输入端的开关装置、基于一个或多个可编程参数(programmable parameter)来调整至少一个开关装置的开关频率从而控制电磁干扰的数字控制器、以及用来向数字控制器提供至少一个可编程参数的编程接口。

根据本发明的另一个方面，公开了一种用于对安装到系统中的开关电源编程(program)来控制电磁干扰的方法。开关电源包括至少一个开关装置和一个基于至少一个可编程参数来调整至少一个开关装置的开关频率的数字控制器。该方法包括通过用户接口(user interface)用至少一个可编程参数对数字控制器编程。至少一个可编程参数定义了开关频率调整，使得来自于系统的电磁干扰得到控制。

根据本发明的又一个方面，一种用于给负载提供直流电流的开关电源包括：用于接收输入电压的输入端、连接到输入端用来对输入电压整流的整流器、连接到整流器电路并且包括至少两个开关装置的开关变换器、基于至少一个可编程参数来调整至少两个开关装置的开关频率从而控制电磁干扰的数字控制器、以及用来接收至少一个可编程参数的编程接口。

根据本发明的再一个方面，一种用于对开关电源的数字控制器编程以控制电磁干扰的计算装置包括：用于接收定义开关频率调整的用户输入的用户接口、以及响应于用户输入用至少一个可编程参数对数字控制器编程的处理器。至少一个可编程参数为开关电源中的一个或多个开关装置定义开关频率调整。

根据本文提供的描述，更多的适用范围将会变得很明显。可以理解，这些描述和具体例子仅仅是为了说明的目的，而不是想要限制本发明的范围。

附图说明

这里描述的附图仅仅是为了说明的目的，而并不打算以任何方式限制本发明公开的范围。

图1是根据本发明公开的一个实施例的对开关电源进行编程的方法的流程图；

图2是一个频谱分析曲线图，它举例说明了基本开关频率的线性频率调整；

图3是一个频谱分析曲线图，它举例说明了基本开关频率的随机频率调整；

图4是一个波形图表，它举例说明了参考时钟信号、具有基本频率的PWM信号、以及相对于基本频率有线性、非线性、和随机频率变化的PWM信号。

图5是与具有用户接口的计算装置相连的开关电源的框图；

图6是用于对一个或多个开关电源编程的图形用户接口的屏幕截图；

图6a是用于对一个或多个开关电源编程的图形用户接口的另一个屏幕截图；

图7是一个框图，它说明了由具有用户接口的服务器经由通信适配器编程的多个开关电源。

图8是根据本发明公开的一个实施例的开关电源的框图；

图9是根据本发明公开的另一个实施例的单级开关电源的电路图；

图10是根据本发明公开的另一个实施例的多级开关电源的电路图。

具体实施方式

以下描述在本质上仅仅是示例性的，而不想要限制本发明的公开、应用或使用。

根据本发明公开的一个方面，提供了一种用于对安装在系统中的开关电源进行编程以控制来自于系统的电磁干扰的方法。开关电源包括至少一个开关装置和一个例如微处理器、微控制器、数字信号处理器等的数字控制器。数字控制器以开关频率将至少一个开关装置在开和关的状态之间进行切换，以向负载提供电流。数字控制器基于至少一个可编程参数对至少一个开关装置的开关频率进行调整。

该方法包括通过用户接口用至少一个可编程参数对数字控制器进行编程。如此，用户可以用至少一个可编程参数对数字控制器进行编程，以定义随时间对开关频率的调整(即颤抖、振动、抖动、摆动等)。通过随时间调整至少一个开关装置的开关频率，数字控制器将电磁干扰(EMI)展开到一频率范围的整个范围内，从而最小化特定频率处的EMI峰值。结果是，系统可以满足某些面向应用的EMI需求或比这种需求的情况还好。

一个或多个可编程参数，可能包括指示将使用哪类开关频率调整的参数。例如，在某些实施例中，开关电源的数字控制器可被编程成以线性的、非线性的、随机的或其它的方式调整开关频率，或者可被编程成不调整开关频率。在其它实施例中，可以使用所有这些选择的一小部分来调整开关频率。

图1说明了根据本发明公开的一个特定的实施例对开关电源的数字控制器编程的方法，并用参考数字100来整体表示这种方法。方法100包括在步骤102处定义基本开关频率。可根据开关电源的电压和(或)电流需求、或例如可利用的空间、效率、代价等其它考虑来定义基本开关频率。基本开关频率是至少一个开关装置的默认开关频率。

方法100还包括在步骤104指出一类对基本开关频率的开关频率调整。这类开关频率调整可能是，例如线性、非线性、随机等。图2说明了一个线性开关频率调整的例子。开关频率从最小频率202线性地增大到最大频率204。然后，开关频率从最大频率204线性地减小到最小频率206。开关频率随时间重复地增大和减小，以便将开关电源(以及安装了开关电源的系统)产生的EMI扩展到最大频率204和最小频率202/206之间的整个频谱范围内。可编程参数定义了线性增大和减小的斜率，该斜率可以比为了说明目的在图2中所显示的斜率更大或更小。

图3示出了一个非线性开关频率调整的例子。如图所示，开关频率随着时间从最小频率302增大到最大频率304。但，这种增大是非线性的，因为在306处增大的斜率改变了。在增大到最大频率304之后，频率开始随时间从最大频率304减小到最小频率308。这种减小也是非线性的，因为在310处减小的斜率改变了。开关频率随着时间重复地这样增大和减小。(一个或多个)可编程参数定义了在所示出的时间周期范围内开关频率的增大和减小的速率。

图4举例说明了几个可以由数字控制器提供给开关装置的PWM波形，包括：具有基本开关频率fs1的PWM信号、经过线性频率调整的PWM信号、经过非线性频率调整的PWM信号、以及经过随机频率调整的PWM信号。如图4所示，线性变化的PWM信号的频率在前3个周期从频率fs1增大到fs2再增大到fs3，在接下来的两个周期从fs3减小到fs2再减小到fs1，然后重复下去。非线性变化的PWM信号的频率在前3个周期从fs1变化到fs4再变化到fs2，在fs2保持不变了一个附加的周期，然后在接下来的两个周期从fs2变化到fs3再变化到fs1。随机变化的PWM信号的频率在前5个周期从fs1变化到fs4，再变化到fs2，再变化到fs3，再变化到fs1，然后在fs1保持不变了一个附加的周期。在随后周期，PWM信号的频率将不会确保地与前面周期的一样。应理解，图4所示的波形是为了说明的目的而提供的，并且在这些教导的任何给定实施方式中，可使用多种其它的进行了线性的、非线性的(例如正弦曲线)以及(或者)随机的频率调整的PWM信号。

开关频率的非线性或随机调整可取决于开关电源和(或)装有电源的系统(例如计算机服务器)的一个或多个特性。这些特性可包括，例如操作输入电压、操作输入电流，内部温度等。

再次参考图1，方法100还包括在步骤106处定义最大频率改变。该最大频率改变定义了开关频率调整的外边界。如图2所示，最大频率改变208是最小频率202/206与最大频率204之间的差值。应理解，只要基本频率存在于最大频率与最小频率之间，则最大频率改变可以以任何期望的方式成比例地高于和低于基本频率。

在定义了最大频率改变之后，根据在步骤104处选择哪类开关频率调整，方法100执行某个分支。如果选择了线性开关频率调整，方法100前进至步骤108，以基于至少一个可编程参数定义线性开关频率调整。或者，如果在步骤104处选择了非线性开关频率调整或随机开关频率调整，方法100前进至步骤112，用来获得一个或多个受监测的参数以便确定对开关频率的调整。如前面所述，可基于操作输入电压、操作输入电流、内部温度、风扇速度、衬底电平(bulk voltage level)、操作外壳(operating enclosure)、屏蔽、系统结构等中的一个或多个来进行非线性开关频率调整。如果选择了非线性频率调整，方法100在步骤104处继续，以便基于至少一个可编程参数和一个或多个开关电源特性来定义调整。如果选择了随机频率调整，则方法100在步骤114处继续，以便基于至少一个可编程参数和一个或多个受监测的参数来定义随机调整。为了产生随机频率改变，数字控制器获得一个或多个受监测的参数。考虑获得的一个或多个受监测的参数，数字控制器乘以、除以和(或)加上这些受监测参数，使得乘积、和、或商可以以不同的系数进行分解，以确定频率变化。

通过使用定义的线性、非线性或随机频率调整对至少一个开关装置进行控制，图1的示例性方法100在步骤110处结束。应理解，图1的流程图是为了说明的目的提供的，并且在这些教导的任何给定实施方式中，具体的操作、操作的数目以及操作的顺序都可以改变。此外，一个或多个用户或一个或多个计算装置可以以手工或自动(即通过计算机)的方式执行各种操作。

如图5的示例性实施方式所示，对至少一个可编程参数编程可包括将计算装置连接到开关电源。该计算装置具备一个用于对开关电源编程的用户接口。用户接口允许用户完成以上通过参考方法100描述的处理中的一个或多个。在一个实施方式中，用户接口是一个如图6所示的图形用户接口。从示例性图形用户接口600上，用户可以选择随时间线性地、非线性地，或随机地调整开关电源的开关频率。虽然图6所示的EMI控制被限制于选择一类开关频率调整，但是在其它实施方式中，用户可能通过用户接口对开关频率调整进行额外的控制。例如，用户可能能够选择调整的特定方面。具体而言，用户可选择开关频率调整的速率，选择最大开关频率改变，包括开关频率调整的两个或多个速率(例如图3)等。

如图6a所示，图形用户接口也可包括附加的可编程控制和对开关电源的监测。附加的控制可在操作条件方面而不是EMI方面对数字控制器编程。附加的控制能影响开关电源的一个或多个开关或其它部件的控制。当图6和6a的图形用户接口包括按钮式控件时，可以理解，在其它实施例中可以使用其它图形用户接口。例如，用户可以仿效开关电源的谱分析在图形接口中调整开关频率。也可以理解，可以使用包括，例如键盘、鼠标、触摸屏、变光开关等许多其它用户接口来定义一个或多个可编程参数。此外，计算装置，可以是个人计算机、工作站计算机、计算机服务器，手持式计算装置或任何其它合适的能够具有用户接口的计算装置。

在一些实施例中，利用通信适配器来对开关电源编程。通信适配器连接在计算装置(例如计算机服务器)与一个或多个开关电源之间。如图7所示，通信适配器702将具有用户接口的服务器704连接到第一开关电源706和第二开关电源708。这样，通信适配器就允许多个开关电源能被并行编程，从而在一个或多个制造或配置过程中节省了时间和资源。通信适配器可以使用例如I²C串行通信的串行通信来与服务器和(或)多个开关电源通信。

对开关电源编程可包括在操作过程中测量从具备所述电源的系统放射的EMI。通过测量在受控制环境下(例如一个屏蔽了的EMI室)的系统放射的EMI，用户可选择一类对安装了开关电源的特定系统最适合的开关电源调整。这样，对开关电源编程可包括对线性频率调整编程，然后接下来用非线性开关频率调整对同一个开关电源重新编程。电源的可编程特征从根本上提供了对来自于系统的EMI的实时优化。所采用的开关频率调整的类型可基于安装了开关电源的系统的一个或多个EMI要求，例如FCC类要求。或者，在电源被安装入系统之前，可以单独地优化可编程电源的EMI性能。

图8示出了根据本发明公开的另一个实施例的可编程单级电源800。电源800包括用于接收输入电压的输入端802和包括至少一个开关装置的转换器804。开关电源800还包括数字控制器806，该数字控制器用于基于至少一个可编程参数来调整至少一个开关装置的开关频率从而控制电磁干扰。开关电源800进一步可编程接口808，该可编程接口808用来向数字控制器806提供至少一个可编程参数。

图9示出了根据本发明公开的另一实施例的可编程多级电源900。开关电源900包括用来接收输入电压的输入端902和开关转换器904，该开关转换器904包括第一开关装置906和第二开关装置908。开关电源900还包括数字控制器910，该数字控制器基于至少一个可编程参数来调整第一开关装置和第二开关装置的开关频率从而控制电磁干扰。

如所示那样，第一开关装置和第二开关装置是场效应晶体管，更具体地讲是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。数字控制器向第一和第二开关装置906、908的控制终端提供脉宽调制(PWM)信号。该PWM信号定义了开关频率。为了调整开关频率，系统控制器910改变了PWM控制信号。如上所述，可以线性地、非线性地、或随机地调整PWM信号，以控制来自于电源或具有电源的系统的EMI。本领域技术人员可以理解，在开关电源的不同的实施例中可以使用其它开关装置，例如不同类型的晶体管，举例来说，双极结型晶体管、场效应晶体管等。开关控制信号也可以在时间上固定或随着频率改变。

开关电源900还包括代表着开关电源的输出的反馈信号。该反馈信号在第一和第二开关装置906、908的开关频率的调整上提供了一个附加的变量。除了开关电源的输出外，还可以监测其它信号。例如，可以监测输入电压和输入电流，使得数字控制器基于输入电压和(或)输入电流调整至少一个开关频率。

图10示出了根据另一个实施例的开关电源1000。电源1000包括用于接收输入电压的输入端1002和连接到输入端1002用来对输入电压进行整流的全桥式整流器(full bridge rectifier)1004。在本发明公开的其它实施例中，可以包括不同类型的整流器。开关电源也包括与整流器相连的开关转换器(switching converter)1006。该开关转换器包括在其中一级中的开关装置1008和1010，和在另一级中的开关装置1012和1014。如图10所示，开关电源1000还包括数字控制器1016和可编程接口1018。系统控制器1016基于至少一个可编程参数来调整开关1008、1010、1012以及1014的开关频率从而抑制来自于系统的EMI。可编程接口1018向数字控制器1016提供至少一个可编程参数。

数字控制器1016监测代表着开关电源的输出的反馈信号。系统控制器也监测与输入电压相关的电压和电流。数字控制器也可以监测开关电源的内部温度或者安装了开关电源的系统的温度。

基于上述监测到的特性，数字控制器可以定义对开关装置1008、1010、1012以及1014的一个或多个开关频率的调整。每个开关频率基于至少一个可编程参数，并且也可以选择基于上述的一个或多个监测到的特性。例如，除了开关电源外，系统可以包括几个内部组件。基于其它部件的电流使用情况，开关电源的电流需求可能会增加和减少。通过监测输入电流和输出电流其中的一个，开关电源在较高电流需求的情况下可以抖动开关装置1008、1010、1012以及1014其中的一个或多个的开关频率。在电流需求较低时，一个或多个开关装置可以在基本频率处进行切换(即没有开关频率调整)。换句话说，一个可编程参数可以定义一个或多个阈值开关电源特性，在这种特性处数字控制器将包括在一个或多个开关装置的开关频率的颤抖或摆动。每个开关频率可以不取决于一个或多个其它开关装置的开关频率，也可以取决于这种开关频率。

可以理解，本发明公开的教导可以被应用到采用了产生EMI的开关装置的AC/DC和DC/DC转换器。

本文的描述本质上仅仅是作为示例的，因此没有背离所描述的要点的变化被意指为在教导的范畴内。不能认为这样的变化脱离了是对教导的精神和范畴的背离。

Claims (23)

1.一个用于向负载提供电流的开关电源，所述电源包含：

用来接收输入电压的输入端；

至少一个连接到所述输入端的开关装置；

数字控制器，其用于基于一个或多个可编程参数来调整至少一个开关装置的开关频率，以控制电磁干扰；和

编程接口，其用来向所述数字控制器提供至少一个可编程参数。

2.如权利要求1所述的开关电源，其中，所述一个或多个可编程参数定义了对所述开关频率的线性调整。

3.如权利要求1所述的开关电源，其中，所述一个或多个可编程参数定义了对所述开关频率的随机调整。

4.如权利要求1所述的开关电源，其中，所述一个或多个可编程参数定义了对所述开关频率的非线性调整。

5.如权利要求4所述的开关电源，其中，所述数字控制器被配置为基于所述一个或多个可编程参数和基于操作输入电压、操作输入电流以及温度中的一个或多个来非线性地调整所述至少一个开关装置的开关频率。

6.如权利要求1所述的开关电源，进一步包含开关转换器，该开关转换器包括所述至少一个开关装置。

7.如权利要求1所述的开关电源，其中，所述数字控制器被配置为基于所述一个或多个可编程参数和所述开关电源的反馈信号来调整所述至少一个开关装置的开关频率。

8.如权利要求1所述的开关电源，其中，所述至少一个开关装置包括至少两个开关装置。

9.一种对安装到系统中的开关电源进行编程以控制电磁干扰的方法，所述开关电源包括至少一个开关装置和基于至少一个可编程参数来调整所述至少一个开关装置的开关频率的数字控制器，所述方法包含通过用户接口用至少一个可编程参数对所述数字控制器编程，所述至少一个可编程参数定义了开关频率调整，使得来自于所述系统的电磁干扰受到控制。

10.如权利要求9所述的方法，其中，对所述数字控制器编程包括选择线性开关频率调整。

11.如权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个可编程参数定义了基于所述开关电源的一个或多个操作条件的开关频率调整。

12.如权利要求9所述的方法，其中，对所述数字控制器编程包括选择非线性开关频率调整。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述至少一个可编程参数定义了基于所述系统中的输入电压、输入电流、内部温度、风扇速度、以及衬底电平中的一个或多个的非线性开关频率调整。

14.如权利要求9所述的方法，进一步包含将所述开关电源的编程接口连接到具有所述用户接口的计算装置。

15.如权利要求9所述的方法，其中，所述用户接口是图形用户接口。

16.如权利要求9所述的方法，进一步包含将所述开关电源的编程接口通过通信适配器连接到具有所述用户接口的计算装置，所述通信适配器被配置为与连接到所述计算装置的多个开关电源通信。

17.如权利要求9所述的方法，进一步包含为所述至少一个开关装置定义基本开关频率。

18.如权利要求9所述的方法，进一步包含为所述开关频率调整定义一个范围。

19.如权利要求9所述的方法，进一步包含测量与所述系统相关的电磁干扰。

20.一种用于向负载提供直流电流的开关电源，所述开关电源包含：

输入端，其用于接收输入电压；

整流器，其连接到所述输入端用来对所述输入电压整流；

开关转换器，其连接到整流电路并且包括至少两个开关装置；

数字控制器，其基于至少一个可编程参数来调整所述至少两个开关装置的开关频率，以控制电磁干扰；和

编程接口，其用于接收所述至少一个可编程参数。

21.如权利要求20所述的开关电源，其中，所述数字控制器被配置为基于所述至少一个可编程参数和所述开关电源的反馈信号来调整所述至少两个开关装置的开关频率。

22.如权利要求20所述的开关电源，进一步包含被连接在所述整流器与所述开关转换器之间的调节器，该调节器包括至少一个调节器开关装置，所述数字控制器被配置为调整所述调节器开关装置的开关频率以控制电磁干扰。

23.一种用于对开关电源的数字控制器编程来控制电磁干扰的计算装置，所述计算装置包含用户接口和处理器，所述用户接口用于接收定义了开关频率调整的用户输入，所述处理器用于响应所述用户输入利用至少一个可编程参数对所述数字控制器编程，所述至少一个可编程参数为所述开关电源中的一个或多个开关装置定义了开关频率调整。

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