[发明专利]频率抖动系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，涉及一种频率抖动系统，尤其涉及一种可用于开关电源的频率抖动系统；此外，本发明还涉及上述频率抖动系统的频率抖动方法。

背景技术

电源变换器是电子系统中必不可少的组件。众所周知，电源变换起包括线形变换器和开关电源变换器两种主要类型。大多数的用电设备都包含内部电源转换器或者外部电源适配器，例如电视和计算机等产品中所使用的是内部电源转换器，广泛应用于手机、DSL调制解调器、打印机、笔记本电脑及游戏机等领域的是外部电源适配器，这些电源转换器或者适配器都是采用开关电源转换器以提供电源之用。与线形变换器相比，开关电源变换器具有体积小、重量轻、效率高等特点。然而，开关电源自身产生的电磁干扰(Electro-Magnetic Interference，EMI)信号占用很宽的频带和较强的幅度，如果控制不当会通过传导和辐射的方式对周围设备产生电磁干扰，污染电磁环境，成为一个很强的电磁干扰源。如何抑制或者改善开关电源的电磁干扰，使之符合相关电磁兼容标准的要求，成为开关电源设计者的一个重要课题。

请参阅图1，图1显示了一个广泛应用于开关电源的反激变换器(flybackconverter)系统，用于交流(AC)转直流(DC)。该系统包括：前端EMI滤波器，全桥整流，功率控制器，变压器，一次侧功率MOS开关和电流检测电阻，次级整流滤波，以及隔离反馈补偿网络。

图1中的前端EMI滤波器主要是抑制系统的传导EMI通过电网对其它用电设备产生干扰，通常此EMI滤波器要消耗比较大的系统成本，尤其是大功率场合。在小功率场合，开关电源变换器的系统成本是系统厂家首要考虑的因素，因此如果采用体型较小的EMI滤波器或者取掉它，则能使系统成本大幅度下降。

频率抖动(Frequency Jittering)或者频谱扩展(Frequency Shuffling)技术现在已广泛地应用于开关电源来改善系统的传导EMI性能。关于这方面的专利和文献已有很多，比如美国专利6,556,463，7,362,191，中国专利200680004174.9，等等，在此不再一一列举。

图2显示了可以应用在图1的采用电流模式控制的并且带频率抖动功能的功率控制器，主要模块包括：PWM比较器、斜率补偿、前沿消隐、振荡器、频率抖动，RS触发器，软启动，过温度保护(OTP)，过流保护(OCP)，逻辑运算，以及驱动级。振荡器产生的时钟信号提供给RS触发器S端，逻辑输出控制RS触发器的R端。频率抖动作用于系统振荡器，产生频率扰动，从而改善系统的传导EMI。

频率抖动的思想就是频谱将系统从分立状态扩展到分散状态，即系统工作频率并非固定不变，而是周期或者非周期地进行变化。假定系统基波频率变化幅度为Δf，则二次基波变化幅度为2Δf…，N次谐波为NΔf，可见谐波次数越高，频率分散就越大。这样，系统频率谐波能量得以分散，从而使某个峰值谐波能量下降，分散到其它频率上去，这样在整个频带上保证了足够的幅值裕量，从而满足了EMI要求。现在，很多功率控制芯片都把频率抖动集成了，这样一方面高效可靠，另外也大幅度节省了系统成本。

目前为止，在开关电源领域，频率抖动或者频谱扩展的实施方法大致可以分为两类：一类是连续频率抖动或者连续频谱扩展。利用外部一个变化的信号源去扰动系统的振荡器频率，扰动源的信号变化是连续的。该方式的缺点是扰动源的信号频谱变化范围有限，因此整体频率抖动效果不是很好。另一类是利用振荡器产生固定数字序列，然后再经过数模转换器DAC(digital to analog converter)产生抖频信号来反馈控制振荡器，从而完成抖频功能，如图3所示。

上述第二种抖频方式，实现起来简单，因而现在广泛地应用到功率控制器中。

在上述采用固定数字序列的抖频方式的实现中，主要又分为两类：一类是固定数字序列为伪随机序列，伪随机序列包括M序列，Gold序列，Walsh序列等，其具体实现如图4所示。

图4中的抖频系统包括振荡器，伪随机序列发生器，数模转换器。其中，伪随机序列发生器为N个寄存器带线形负反馈，在其输出选取M位作为输出提供给M位模数转换器。

采用图4中所述的系统作为抖频方式有个缺点：因为其伪随机系列频谱过于白噪声化，所以会导致系统不太稳定。有鉴于此，很多开关电源系统采用第二类固定数字周期序列，在实现上可以采用计数器抖频方式，如图5所示。

计数器输出为周期信号，一般广泛应用的是周期三角波计数，其效果如图6。