CN106998134A - 一种抗电磁干扰能力优异的pwm开关电源控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗电磁干扰能力优异的PWM开关电源控制电路，其技术方案要点是包括供电及驱动模块、保护模块和多模式控制模块；所述供电及驱动模块，包括内部启动模块、基准电压模块、电流采样器、误差放大器、输出驱动模块；所述保护模块，包括过热保护模块、过载保护模块、过压保护模块和过流保护模块；所述多模式控制模块，包括反馈输入端、振荡器，用于改变开关的频率、负载检测模块、零电流检测电路，用于实现谷底导通模式、谷底检测器和模式选择器，用于若干种工作模式的切换，本发明采用了多种降低电磁干扰的方法，抗电磁干扰能力较好，在实际应用过程中不但可以大量节省外围电路，还能大大提高电源转换效率，减小开关损耗。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种抗电磁干扰能力优异的PWM开关电源控制电路。
背景技术
开关电源是一种高频化的电能转换装置，因电源中起调整稳压控制功能的器件始终以开关方式工作而得名，其功能是将一个基准电压通过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源主要工作原理是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定的输出电压。
通常开关电源由开关电源控制电路和开关管（MOSFET）组成。开关电源的框图如附图1所示，开关电源控制电路的工作方式有多种，其中最常见的一种是脉冲宽度调制（PWM）方式，通过调节功率MOS的开关时间来控制输出的波形，采用的方式是调整功率模式MOS栅极PWM信号占空比，从而控制输出波形的电源和电流的模拟量，也是一种功率调节的方式。
电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)是干扰电信号并降低信号完好性的电子噪音，EMI通常由电磁辐射发生源所产生的。EMI的存在会导致设备的性能降低。
电磁干扰包括传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络。在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。
集成电路的抗电磁干扰能力已经成为衡量其性能水平的一个重要标志，一个集成电路的抗干扰能力大小也决定了该电路的应用范围，尤其对于应用在能源转换方面的开关电源电路来说更是如此。一方面，由于开关电源直接接在市电电网上，电源设备与电网之间存在双向的电磁干扰；另一方面开关电源的使用条件通常较差，如汽车装置等，因此在开关电源的设计中必须考虑抗电磁干扰问题。
开关电源控制电路的抗电磁干扰能力的检测一般是通过将其应用在某些具体的开关电源中，进行专门的抗电磁干扰测试，另外还可以从该电源的开关损耗和能量转换效率上进行判断。
开关电源中的抗电磁干扰设计通常包括两部分，开关电源控制电路的抗干扰能力设计是其中重要的一部分；如果开关电源控制电路的抗干扰能力较弱，则必须通过复杂的外围电路设计以提高整个系统的抗干扰能力。
通过外围电路提升整体开关电源抗干扰能力比较典型的方案是电网电源先经过抗电磁干扰的模块，然后再进行整流滤波。这些保护措施可以通过外围电路的设计提升开关电源的抗电磁干扰能力，但这样做会导致整个开关电源的设计较复杂，需要增加很多外围器件，从而造成整体开关电源成本的提高。
随着社会对能源效率和环保问题的关注度日益提高，减小开关损耗，提高开关电源的效率，从而提高开关电源抗电磁干扰能力已成为开关电源方面集成电路设计的主要发展方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗电磁干扰能力优异的PWM开关电源控制电路，其具有抗电磁干扰能力优异，能够提高开关电源的效率，减小开关电源的能源损耗的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种抗电磁干扰能力优异的PWM开关电源控制电路，包括供电及驱动模块、保护模块和多模式控制模块；
所述供电及驱动模块，包括内部启动模块、基准电压模块、电流采样器、误差放大器、输出驱动模块；
所述保护模块，包括过热保护模块、过载保护模块、过压保护模块和过流保护模块；
所述多模式控制模块，包括反馈输入端、振荡器，用于改变开关的频率、负载检测模块、零电流检测电路，用于实现谷底导通模式、谷底检测器和模式选择器，用于若干种工作模式的切换。
通过采用上述技术方案，由于开关电源在实际应用中需要不断地对线圈进行充放电，这种电流冲击的存在使得电磁干扰比较严重。研究表明，电流的纹波大小约为V/2Lfk，其中V为电压，L为线圈电感，fk为开关频率。由此可见电流纹波与电压成正比。
实际应用中电源电压不能太低，为了降低电磁干扰，开关频率不能太低，即提高开关频率可以降低电流纹波，但这样会使开关损耗增加，能量转换效率降低。因此开关频率的选择必须考虑诸多因素，并进行折中。本发明采用可变的开关频率以根据不同情况调节所需的开关频率。
本发明采用了零电流检测电路来优化开关管的导通。在开关管漏源电源的第一个最小值所在的位置使得该MOSFET导通，可以使得导通的电流尖峰最小。该电路提供信号驱动开关管在其漏端电压差较低时进入开通，即实现谷底导通。如此导通的电流尖峰将会最小，从而大大降低整个开关电源的电磁干扰。
进一步设置：所述负载检测模块与内部启动模块连接，用于在内部启动模块启动后，检测外部负载情况并将电信号反馈至模式选择器，模式选择器用于改变控制电路的工作模式。
进一步设置：所述供电及驱动模块外连有MOS管，工作模式确定后启动零电流检测电路、谷底检测器，供电及驱动模块启动MOS管，产生采样电压，控制电路内设有内部逻辑电路，用以将采样电压与预定值比较，关闭或打开MOS管。
进一步设置：所述电流采样器将输出电压与基准参考电压比较，通过误差放大器将误差放大信号通过光耦转化为电流，并注入反馈输入端内，用以调节输出电压的大小。
进一步设置：所述振荡器采用多频振荡器，用于通过改变电容在充放电电流不变情况下调节频率，并能够通过调节充放电回路上的充放电电流改变占空比。
通过采用上述技术方案，由于开关电源系统中电感、电容的影响，开关电源控制电路在工作过程中会引入电流和电压高次谐波分量，即频谱上有峰值很高的噪声频带存在，从而产生严重的电磁干扰。本发明采用“变频”技术，使得开关频率不是固定的，而是在一定范围内变化，从而将开关电源中的电压和电流的各次谐波的频带得到展宽，以降低开关电源控制电路电磁干扰。
进一步设置：所述控制电路内设有用于控制开关电流的电流采样电路。
通过采用上述技术方案，在开关电源电路设计的过程中，为了降低电磁干扰，同时减小开关损耗，提高转换效率高，本发明中在一定程度上减小了开关管的关断电流和负载电流，以减小工作过程中的损耗，提高转换效率。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明采用了多种降低电磁干扰的方法，经过多重抗电磁干扰设计后的控制电路的抗电磁干扰能力较好，可应用监视器/液晶电视/机顶盒电源，也可以用于各种交流/直流电源适配器和各种充电器。
本发明在外界负载变化时开关电源频率可以平滑地变化，即体现了“软折弯”的特点，因此跟传统开关电源相比大大减小了开关损耗，降低了电磁干扰。
通过使用谷底开通模式，使其导通所形成的电流尖峰较小，从而降低整个开关电源的电磁干扰，提高转换效率。另外另外为了降低电磁干扰和开关损耗，提高转换效率，对开关电流进行了有效的控制。
在实际应用过程中，本发明不但可以大量节省外围电路，还能大大提高电源转换效率，减小开关损耗。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是背景技术中的开关电源框图；
图2是本发明的整体框图；
图3是本发明的工作模式图；
图4是本发明中开关管的工作模式图；
图5是本发明中优化开关管导通的零检测电路结构；
图6是本发明中多频振荡器的结构图；
图7是本发明中的电流采样电路图。
符号说明，AC：交流源；CS：电流感应输入端；DRI：MOS管的驱动输出端；VIN：直流输入电压；M1：开关管；CM：MOS管的漏端电容；NP：变压器的初级线圈匝数；NS：变压器的次级线圈匝数；Lm：互感；D：整流管；C：滤波电容；LPL：初级线圈的漏感；EMI：电磁干扰；VB：输入偏置电压；DRI：开关管输出端；Ismp：采样输出电流。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明所采用的技术方案是：
一种抗电磁干扰能力优异的PWM开关电源控制电路，如图2所示，功能模块包括供电及驱动模块、保护模块和多模式控制模块。
供电及驱动模块包括内部启动模块、基准电压模块、电流采样器、误差放大器、输出驱动模块。
保护模块，包括过热保护模块、过载保护模块、过压保护模块和过流保护模块。
多模式控制模块，包括反馈输入端、振荡器，用于改变开关的频率、负载检测模块、零电流检测电路，用于实现谷底导通模式、谷底检测器和模式选择器，用于若干种工作模式的切换。
如此可以通过四种方式来实现电路抗电磁干扰能力的提高。
1、采用多工作模式
多工作模式的原理为：如图2所示，系统上电后，内部启动电路给VCC端外接电容充电，VCC电压上升到一定值时，内部电路开始工作，振荡器也发出触发信号，负载检测模块检测外部负载，模式选择电路启动，根据不同负载情况分别进入不同工作模式。
之后零电流检测电路、谷底检测器开始工作，符合条件时，进入准谐振谷底开通模式，经驱动控制模块开启MOS管。线电压给初级线圈电感充电，初级线圈电感电流线性上升。电感电流流经MOS管，电流按比例镜像后在内部采样电阻上产生采样电压，当电感电流上升到使采样电压大于预先设定值时，电流比较器翻转，并触发内部逻辑电路，关闭MOS管。当振荡器下一个周期来临时，MOS再次开启。
在经过一系列工作周期后，输出电压开启上升，内部控制电路将输出电压与基准参考电压进行比较放大，并将误差放大信号通过光耦转换成电流，通过FB端口注入电路内部的反馈输入模块。
当输出电压升高，FB端口注入的电流增大，该电流在内部电阻上产生的压降增大，电流比较器翻转使得初级线圈电感电流在内部电阻上产生的压降减小，即初级线圈电感电流减小，这样传输到次级的能量将减小，输出电压将降低，从而构成一个负反馈的稳定系统。反之，当输出电压降低时，负反馈系统将自动调节FB端注入的电流，使输入电压升高，从而得到一个非常稳定的输出电压。当FB端注入的电流接近零时，初级线圈电感电流将达到最大值。
本发明的工作模式如图3所示，在满负载情况下，当输入功率较低时，该IC工作在固定频率CCM（Continuous Condition Mode）模式，该固定频率为50KHz左右；而在输入功率较高时，工作在准谐振模式，这时最低频率钳制在Flow；以上两种模式都可以达到很高的效率。
正常负载情况下，本发明在准谐振模式（Quasi-Resonant Mode）下工作。为了减少开关损耗，准谐振模式下的最高开关频率要加以限制，本电路中钳制在Fhigh，其值为90KHz左右，符合EMI标准。该PWM控制电路在QR模式，开关管在电源振荡到第一个波谷处开通，开始下一个周期。通过准谐振工作模式，系统的开关损耗和EMI大大降低。
当负载降低时，本发明在PFM（Pulse Frequency Modulation）模式下工作，以达到超过90%的功率转换效率。本发明根据负载来调节开关频率，且不断降低；在PFM阶段，谷底开关特性依旧存在，从而可以得到平滑的频率变化曲线。
当负载较小或者空载时，本发明在绿色模式（Green Mode）下工作，用以降低待机功耗和开关损耗，提高系统转换效率。当工作在绿色模式时，开关频率为Fgreen，其值为20KHz左右，并且不再降低。众所周知，20KHz为音频范围，通过采用绿色模式，可以有效避免音频噪声的出现。
如图3所示，AC的两极分别接到二极管D1、D3和D2、D4的正极，D1、D2的负极与V相连，D3、D4负极接地。
电阻R1一端与Lp相连，另一端接到电容C1上极板与ＶＣＣ，Ｃ１下极板接地。
Ｍ１管的漏极接ＬＨＬ与电容ＣＭ上极板，栅极接到ＤＲＩ，源极接ＣＳ、R2和CM下极板，R2的另一端接地。
LS一端与二极管D正极相连，另一端接到电容C下极板和地，二极管D负极接电容C上极板。
光耦OC一端接FB，另一端接地。
2、采用谷底开通模式
如图2所示，NP、NS的电感量分别为LP、LS，Lm为互感，用于将能量从初级传递到次级，无法通过耦合传递到次级的磁通量，其存储的能力需通过其它的路径释放。而存储在漏感中的能量是开关管关断是产生尖峰的原因。
如图4所示，开关管一开始处于导通状态，形成初级电流，其峰值为IPP，在电流最大时关断，漏感LPL和开关管漏端电容CM组成的谐振回路产生过压尖峰振荡，形成谐振区域一。
在谐振区域一中，开关管漏源电压峰值可用公式（1）表示，其中IP为流过变压器初级线圈的直流。
开关管关断后，变压器互感能量通过导通的整流管D1形成次级电流，其峰值为IPS，对滤波电容C充电，从而将能量传递到负载。在此过程中次级电流逐渐降低，当接近为零时，互感Lm和开关管漏端电容CM产生谐振区域二。在这部分振荡曲线中有A、B、C三个点，其中A点是开关管漏电电压最低的点，而C点对应的漏端电压较高。
在谐振区域二中，开关管漏源电压包括了公式（2）所表示的直流分量VDDC和公式（3）所表示的谐振分量VDQR两部分，其中RP为变压器初级线圈直流等效电阻，VZ为整流管D1上的压降。
当开关管再次导通时，可以选择在其漏端电压较低时导通，也可以选择在其漏端电压较高时导通。因为漏端电容CM通过开关管放电时会形成电流尖峰，如果开关管在其漏端电压较高的点开启，则将产生较大的开关噪声，形成EMI。
反之，如果在开关管漏端电压的第一个最小值A点（即谷底）使得开关管开通，那么导通的电流尖峰将会最小，从而大大降低整个开关电源的EMI。开关管的导通和截止时间可分别用公式（4）、（5）表示。
本发明采用了零电流检测电路来优化开关管的开通，开关管导通的零检测电路结构优化如图5所示。该电路提供信号驱动开关管在其漏端电压差较低时进入开通，即实现谷底导通。
如图5所示，N0管的漏极接从电源过来的I0，栅极接N1管的栅极，栅漏短接，源级接地；
N1管的漏极接P0管的漏极，栅极接N0管的栅极和从电源来的I0，源级接地；
N2管的漏极接P1管的漏极和N4管的漏极，栅极接电源，源级接N3管的漏极和N6管的栅极；
N3管的漏极接N2管的源级和N6管的栅极，栅极接N0管的栅极和从电源来的I0，源级接地；
N4管的漏极接N2管的漏接和P1管的漏极，栅极接N5管的栅极，栅漏短接，源级接地；
N5管的漏极接P2管的漏极，栅极接N4管的栅极，源级接地；
N6管的漏极接P3管的漏极和P4管的栅极，源级接DRI；
N7管的漏极接P4管的漏极和OUT，栅极接从电源来的I0，源级接地；
P0管的源级接电源，栅极接P1管的栅极，源栅短接，漏极接N1管的漏极；
P1管的源级接电源，栅极接P0管的栅极，漏极接N2管的漏极和N4管的漏极；
P2管的源级接电源，栅极接P3管的栅极，漏极接N5管的漏极，栅漏短接；
P3管的源级接电源，栅极接P2管的栅极，漏极接N6管的漏极和P4管的栅极；
P4管的源级接电源，栅极接P3管的漏极和N6管的漏极，漏极接N7管的漏极和OUT。
3、采用变频技术
由于开关电源系统中电感、电容的影响，开关电源控制电路在工作过程中会引入电流和电压高次谐波分量，即频谱上有峰值很高的噪声频带存在，从而产生严重的电磁干扰。降低开关电源控制电路电磁干扰的一种有效方法是采用“变频”技术，使得开关频率不是固定的，而是在一定范围内变化，从而将开关电源中的电压和电流的各次谐波的频带得到展宽。
假如频率变化范围为△f，那么在开关频率变化范围内，基波带宽将展宽为△f，二次谐波带宽将展宽为2△f，以此类推，n高次谐波带宽将展宽为n△f。在噪声总能量不变的前提下，各次谐波的幅度得到降低，而高次谐波幅度降低则更为明显，从而可以有效抑制系统的电磁干扰。
本发明采用了多频振荡器来实现“变频”技术，这种振荡器的结构如附图6所示。电容C0是一组大小不同的电容，分别由不同的控制信号控制其是否接入振荡器的充放电回路，这些控制信号由分频电路产生。电容C0上充电后的电压为Vc0，而固定的比较电压为Vref，Vref与Vc0进行比较，从而形成振荡。
定义该振荡器的充电电流和放电电流分别为Tch、Tdch，则该振荡器的充电周期Tch和放电周期Tdch可分别用公式（6）、（7）表示。
从而振荡频率和占空比分别可以用公式（8）、（9）表示。
通过改变电容，在充放电电流不变情况下可以调节频率；而通过调节充放电回路上的充放电电流，可以改变占空比。
如图6所示，P0管的源级接电源，栅极接Vbh.漏极接P3管的源级；
P1管的源级接电源，栅极接Vbh，漏极接N1管的漏极；
P2管的源级接电源，栅极接Vbh，漏极接C0，C1的上级板和BGR的“-”接口；
P3管的源级接P0的漏极，栅极接NAND2的1输入，漏极接N0管的漏极和N1管的栅极；
N0管的漏极接P3管的漏极和N1管的栅极，N0管的栅极接N2管的栅极和N3管的漏极，源级接地；
N1管的漏极接P1管的漏极和NAND1的1输入，栅极接P3管的漏极和N0管的漏极，源极接N2管的漏极；
N2管的漏极接N1管的源级，栅极接N3管的漏极和N0管的栅极，源级接地；
N3管的漏接N0管和N2管的栅极，栅极接P3管的栅极和NAND1的输出，NAND2的1输入，源级接地；
C0的上级板接P2管的漏极和C1的上级板和BGR的“-”接口，下极板接地；
C1的上级板接P2管的漏极和C2的上级板和BGR的“-”接口，下极板接地；
NAND1的1输入接P1管的漏极和N1管的漏极，2输入接NAND2的输出，输出接NAND2的1输入和P3，N3管的栅极；
NAND2的1输入接NAND1的输出，2输入接BGR的输出；输出接NAND1的2输入。
4、开关管电流控制
为了降低电磁干扰，同时减小开关损耗，提高转换效率高，本本发明中尽量减小了开关管的关断电流和负载电流。具体实现是采用电流采样方式，并通过形成反馈，保持电流不超出设计规范。
如图7所示，Ismp和流过开关管控制管P4的电流成比例关系。该模块工作原理为：当开关管控制管P 4打开时，P2和P3对输出电流采样，采样电流在P2的沟道电阻上产生压降。
输出电流增大时，W3的电位下降导致W2的电位下降，由于P5和P6栅极电位相同，P6的源极电位（W2）下降使P6电流减小，导致W4电位下降，W4接到P7的栅极，使P7电流增大，使W1电位下降，导致P5电流下降，而N0为恒流源，P5的栅极电位将被拉低，即P6的栅极被拉低，P6电流增大，W4升高，使这个反馈环路达到稳定状态，从而限制了开关管电流。通过以上电流采样电路使得开关电流受到限制。
参见图7，P0管的源级接电源，栅极接地，漏极接P5管和P7管的源级；
P1管的源级接P2管的漏极和P3管的源级，栅极接地，漏极接P6管的源级；
P2管的源级接电源，栅极接地，漏极接P1管的源级和P3管的源级；
P3管的源级接P2管的漏极和P1管的源级，栅极接地，漏极接P4管的漏极和DRI；
P4管的源级接电源，栅极接地，漏极接P3管的漏极和DRI；
P5管的源级接P0管的漏极和P7管的源级，栅极接P6管的栅极，漏极接N0管的漏级，栅极和漏极短接；
P6管的源级接O1管的漏极，栅极接P5管的栅极，漏极接N1管的漏级和P7管的栅极；
P7管的源级接P0管的漏极和P5管的源级，栅极接P6管的漏极和N1管的漏级，漏极接Ismp；
N0管的漏级接P5管的漏极，栅极接Vb，源极接地；
N1管的漏级接P6管的漏极和P7管的栅极，栅极接Vb，源极接地。
以上是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种抗电磁干扰能力优异的PWM开关电源控制电路，其特征在于：包括供电及驱动模块、保护模块和多模式控制模块；
所述供电及驱动模块，包括内部启动模块、基准电压模块、电流采样器、误差放大器、输出驱动模块；
所述保护模块，包括过热保护模块、过载保护模块、过压保护模块和过流保护模块；
所述多模式控制模块，包括反馈输入端、振荡器，用于改变开关的频率、负载检测模块、零电流检测电路，用于实现谷底导通模式、谷底检测器和模式选择器，用于若干种工作模式的切换。
2.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰能力优异的PWM开关电源控制电路，其特征在于：所述负载检测模块与内部启动模块连接，用于在内部启动模块启动后，检测外部负载情况并将电信号反馈至模式选择器，模式选择器用于改变控制电路的工作模式。
3.根据权利要求2所述的一种抗电磁干扰能力优异的PWM开关电源控制电路，其特征在于：所述供电及驱动模块外连有MOS管，工作模式确定后启动零电流检测电路、谷底检测器，供电及驱动模块启动MOS管，产生采样电压，控制电路内设有内部逻辑电路，用以将采样电压与预定值比较，关闭或打开MOS管。
4.根据权利要求3所述的一种抗电磁干扰能力优异的PWM开关电源控制电路，其特征在于：所述电流采样器将输出电压与基准参考电压比较，通过误差放大器将误差放大信号通过光耦转化为电流，并注入反馈输入端内，用以调节输出电压的大小。
5.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰能力优异的PWM开关电源控制电路，其特征在于：所述振荡器采用多频振荡器，用于通过改变电容在充放电电流不变情况下调节频率，并能够通过调节充放电回路上的充放电电流改变占空比。
6.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰能力优异的PWM开关电源控制电路，其特征在于：所述控制电路内设有用于控制开关电流的电流采样电路。
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