[发明专利]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

说明书

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10KHz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1A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的DC输入电压104。EMI滤波器102一般由两个线到线电容器150、152和共模电感器154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117一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。