專利名稱：具有數字電磁干擾控制的開關電源的制作方法
具有數字電磁干擾控制的開關電源相關申請的交叉引用本申請要求2007年9月29日申請的專利申請號為60/976,420的美國臨 時申請的優先權，該申請的全部內容作為參考并入到本申請文件中。技術領域本申請涉及開關電源和對開關電源產生的電磁干擾(EMI)進行控制。
技術背景本節的陳述僅僅提供與本申請有關的背景信息，而不一定等同于現有技術。開關電源一般包括一個或多個開關裝置。開關裝置典型地由具有快速上 升時間和快速下降時間的脈沖寬度調制信號來控制。在使用中，開關裝置產 生電磁干擾(EMI)。通過使用例如電阻器、電感器和電容器等特定的離散 電路部件調整開關裝置的開關頻率，可以降低EMI。這些離散部件是為了特 定的電源應用來選擇和設計的。還利用離散濾波元件、部件布局以及屏蔽來 降低開關電源中的EMI。發明內容根據本發明的一個方面， 一種用于給負載提供電流的開關電源包括用 于接收輸入電壓的輸入端、至少一個連接到輸入端的開關裝置、基于一個或 多個可編程參數(programmableparameter)來調整至少一個開關裝置的開關 頻率從而控制電磁干擾的數字控制器、以及用來向數字控制器提供至少一個 可編程參數的編程接口 。根據本發明的另 一個方面，公開了 一種用于對安裝到系統中的開關電源 編程(program)來控制電磁干擾的方法。開關電源包括至少一個開關裝置和一個基于至少一個可編程參數來調整至少一個開關裝置的開關頻率的數 字控制器。該方法包括通過用戶接口 (user interface )用至少 一 個可編禾呈參 數對數字控制器編程。至少一個可編程參數定義了開關頻率調整，使得來自 于系統的電磁干擾得到控制。根據本發明的又一個方面， 一種用于給負載提供直流電流的開關電源包括用于接收輸入電壓的輸入端、連接到輸入端用來對輸入電壓整流的整流 器、連接到整流器電路并且包括至少兩個開關裝置的開關變換器、基于至少 一個可編程參數來調整至少兩個開關裝置的開關頻率從而控制電磁干擾的 數字控制器、以及用來接收至少一個可編程參數的編程接口 。根據本發明的再一個方面， 一種用于對開關電源的數字控制器編程以控 制電磁干擾的計算裝置包括用于接收定義開關頻率調整的用戶輸入的用戶 接口 、以及響應于用戶輸入用至少一個可編程參數對數字控制器編程的處理 器。至少一個可編程參數為開關電源中的一個或多個開關裝置定義開關頻率 調整。根據本文提供的描述，更多的適用范圍將會變得很明顯。可以理解，這 些描述和具體例子僅僅是為了說明的目的，而不是想要限制本發明的范圍。
這里描述的附圖僅僅是為了說明的目的，而并不打算以任何方式限制本 發明公開的范圍。圖1是根據本發明公開的 一 個實施例的對開關電源進行編程的方法的流 程圖；圖2是一個頻譜分析曲線圖，它舉例說明了基本開關頻率的線性頻率調整；圖3是一個頻譜分析曲線圖，它舉例說明了基本開關頻率的隨機頻率調整；圖4是一個波形圖表，它舉例說明了參考時鐘信號、具有基本頻率的 PWM信號、以及相對于基本頻率有線性、非線性、和隨才幾頻率變化的PWM 信號。圖5是與具有用戶接口的計算裝置相連的開關電源的框圖； 圖6是用于對一個或多個開關電源編程的圖形用戶接口的屏幕截圖； 圖6a是用于對一個或多個開關電源編程的圖形用戶接口的另一個屏幕 截圖；圖7是一個框圖，它說明了由具有用戶接口的服務器經由通信適配器編 程的多個開關電源。圖8是根據本發明公開的 一個實施例的開關電源的框圖9是根據本發明公開的另一個實施例的單級開關電源的電路圖； 圖10是根據本發明公開的另 一 個實施例的多級開關電源的電路圖。
具體實施方式
以下描述在本質上僅僅是示例性的，而不想要限制本發明的公開、應用 或使用。根據本發明公開的 一個方面，提供了 一種用于對安裝在系統中的開關電 源進行編程以控制來自于系統的電磁干擾的方法。開關電源包括至少一個開 關裝置和一個例如微處理器、微控制器、數字信號處理器等的數字控制器。 數字控制器以開關頻率將至少一個開關裝置在開和關的狀態之間進行切換， 以向負載提供電流。數字控制器基于至少一個可編程參數對至少一個開關裝 置的開關頻率進行調整。該方法包括通過用戶接口用至少 一個可編程參數對數字控制器進行編 程。如此，用戶可以用至少一個可編程參數對數字控制器進行編程，以定義 隨時間對開關頻率的調整(即顫抖、振動、抖動、擺動等)。通過隨時間調 整至少一個開關裝置的開關頻率，數字控制器將電磁干擾(EMI)展開到一 頻率范圍的整個范圍內，從而最小化特定頻率處的EMI峰值。結果是，系 統可以滿足某些面向應用的EMI需求或比這種需求的情況還好。一個或多個可編程參數，可能包括指示將使用哪類開關頻率調整的參 數。例如，在某些實施例中，開關電源的數字控制器可被編程成以線性的、 非線性的、隨機的或其它的方式調整開關頻率，或者可被編程成不調整開關 頻率。在其它實施例中，可以使用所有這些選擇的一小部分來調整開關頻率。圖l說明了根據本發明公開的一個特定的實施例對開關電源的數字控制 器編程的方法，并用參考數字100來整體表示這種方法。方法100包括在步 驟102處定義基本開關頻率。可根據開關電源的電壓和(或)電流需求、或 例如可利用的空間、效率、代價等其它考慮來定義基本開關頻率。基本開關 頻率是至少一個開關裝置的默認開關頻率。方法IOO還包括在步驟104指出一類對基本開關頻率的開關頻率調整。 這類開關頻率調整可能是，例如線性、非線性、隨機等。圖2說明了一個線 性開關頻率調整的例子。開關頻率從最小頻率202線性地增大到最大頻率 204。然后，開關頻率從最大頻率204線性地減小到最小頻率206。開關頻率
隨時間重復地增大和減小，以便將開關電源(以及安裝了開關電源的系統)產生的EMI擴展到最大頻率204和最小頻率202/206之間的整個頻語范圍 內。可編程參數定義了線性增大和減小的斜率，該斜率可以比為了說明目的 在圖2中所顯示的斜率更大或更小。圖3示出了一個非線性開關頻率調整的例子。如圖所示，開關頻率隨著 時間從最小頻率302增大到最大頻率304。但，這種增大是非線性的，因為 在306處增大的斜率改變了。在增大到最大頻率304之后，頻率開始隨時間 從最大頻率304減小到最小頻率308。這種減小也是非線性的，因為在310 處減小的斜率改變了。開關頻率隨著時間重復地這樣增大和減小。(一個或 多個)可編程參數定義了在所示出的時間周期范圍內開關頻率的增大和減小 的速率。圖4舉例說明了幾個可以由數字控制器提供給開關裝置的PWM波形， 包括具有基本開關頻率fsl的PWM信號、經過線性頻率調整的PWM信 號、經過非線性頻率調整的PWM信號、以及經過隨機頻率調整的PWM信 號。如圖4所示，線性變化的PWM信號的頻率在前3個周期從頻率fsl增 大到fs2再增大到fs3,在接下來的兩個周期從fs3減小到fs2再減小到fsl， 然后重復下去。非線性變化的PWM信號的頻率在前3個周期從fsl變化到 fs4再變化到fs2，在fs2保持不變了一個附加的周期，然后在接下來的兩個 周期從fs2變化到fs3再變化到fsl。隨機變化的PWM信號的頻率在前5個 周期從fsl變化到fs4,再變化到fs2，再變化到fs3，再變化到fsl，然后在 fsl保持不變了一個附加的周期。在隨后周期，PWM信號的頻率將不會確保 地與前面周期的一樣。應理解，圖4所示的波形是為了說明的目的而提供的， 并且在這些教導的任何給定實施方式中，可使用多種其它的進行了線性的、 非線性的(例如正弦曲線)以及(或者)隨機的頻率調整的PWM信號。開關頻率的非線性或隨機調整可取決于開關電源和(或)裝有電源的系 統(例如計算機服務器)的一個或多個特性。這些特性可包括，例如操作輸 入電壓、操作輸入電流，內部溫度等。再次參考圖1，方法IOO還包括在步驟106處定義最大頻率改變。該最 大頻率改變定義了開關頻率調整的外邊界。如圖2所示，最大頻率改變208 是最小頻率202/206與最大頻率204之間的差值。應理解，只要基本頻率存 在于最大頻率與最小頻率之間，則最大頻率改變可以以任何期望的方式成比
例地高于和低于基本頻率。在定義了最大頻率改變之后，根據在步驟104處選擇哪類開關頻率調整， 方法100執行某個分支。如果選擇了線性開關頻率調整，方法100前進至步 驟108,以基于至少一個可編程參數定義線性開關頻率調整。或者，如果在 步驟104處選擇了非線性開關頻率調整或隨機開關頻率調整，方法100前進 至步驟112,用來獲得一個或多個受監測的參數以便確定對開關頻率的調整。 如前面所述，可基于操作輸入電壓、操作輸入電流、內部溫度、風扇速度、 ^H"底電平(bulk voltage level )、才喿作夕卜殼(operating enclosure )、屏蔽、系統 結構等中的一個或多個來進行非線性開關頻率調整。如果選擇了非線性頻率 調整，方法100在步驟104處繼續，以便基于至少一個可編程參數和一個或 多個開關電源特性來定義調整。如果選擇了隨機頻率調整，則方法100在步 驟114處繼續，以便基于至少一個可編程參數和一個或多個受監測的參數來 定義隨機調整。為了產生隨機頻率改變，^t字控制器獲得一個或多個受監測 的參數。考慮獲得的一個或多個受監測的參數，數字控制器乘以、除以和(或)加上這些受監測參數，使得乘積、和、或商可以以不同的系數進行分解，以 確定頻率變化。通過使用定義的線性、非線性或隨機頻率調整對至少一個開關裝置進行 控制，圖1的示例性方法IOO在步驟110處結束。應理解，圖1的流程圖是為了說明的目的提供的，并且在這些教導的任何給定實施方式中，具體的操 作、操作的數目以及^t喿作的順序都可以改變。此外， 一個或多個用戶或一個 或多個計算裝置可以以手工或自動(即通過計算機)的方式執行各種操作。如圖5的示例性實施方式所示，對至少一個可編程參數編程可包括將計 算裝置連接到開關電源。該計算裝置具備一個用于對開關電源編程的用戶接 口。用戶接口允許用戶完成以上通過參考方法100描述的處理中的一個或多 個。在一個實施方式中，用戶接口是一個如圖6所示的圖形用戶接口。從示 例性圖形用戶接口 600上，用戶可以選擇隨時間線性地、非線性地，或隨機 地調整開關電源的開關頻率。雖然圖6所示的EMI控制被限制于選擇一類 開關頻率調整，但是在其它實施方式中，用戶可能通過用戶接口對開關頻率 調整進行額外的控制。例如，用戶可能能夠選擇調整的特定方面。具體而言， 用戶可選擇開關頻率調整的速率，選擇最大開關頻率改變，包括開關頻率調 整的兩個或多個速率(例如圖3)等。
如圖6a所示，圖形用戶接口也可包括附加的可編程控制和對開關電源 的監測。附加的控制可在操作條件方面而不是EMI方面對數字控制器編程。 附加的控制能影響開關電源的一個或多個開關或其它部件的控制。當圖6和 6a的圖形用戶接口包括按鈕式控件時，可以理解，在其它實施例中可以使用 其它圖形用戶接口。例如，用戶可以仿效開關電源的譜分析在圖形接口中調 整開關頻率。也可以理解，可以使用包括，例如鍵盤、鼠標、觸摸屏、變光 開關等許多其它用戶接口來定義一個或多個可編程參數。此外，計算裝置， 可以是個人計算機、工作站計算機、計算機服務器，手持式計算裝置或任何 其它合適的能夠具有用戶接口的計算裝置。在一些實施例中，利用通信適配器來對開關電源編程。通信適配器連接 在計算裝置(例如計算機服務器)與一個或多個開關電源之間。如圖7所示， 通信適配器702將具有用戶接口的服務器704連接到第一開關電源706和第 二開關電源708。這樣，通信適配器就允許多個開關電源能被并行編程，從 而在一個或多個制造或配置過程中節省了時間和資源。通信適配器可以-使用 例如^C串行通信的串行通信來與服務器和(或)多個開關電源通信。對開關電源編程可包括在操作過程中測量從具備所述電源的系統放射 的EMI。通過測量在受控制環境下(例如一個屏蔽了的EMI室)的系統放 射的EMI，用戶可選4奪一類對安裝了開關電源的特定系統最適合的開關電源 調整。這樣，對開關電源編程可包括對線性頻率調整編程，然后接下來用非 線性開關頻率調整對同 一個開關電源重新編程。電源的可編程特征從#_本上 提供了對來自于系統的EMI的實時優化。所采用的開關頻率調整的類型可 基于安裝了開關電源的系統的一個或多個EMI要求，例如FCC類要求。或 者，在電源被安裝入系統之前，可以單獨地優化可編程電源的EMI性能。圖8示出了根據本發明公開的另一個實施例的可編程單級電源800。電 源800包括用于接收輸入電壓的輸入端802和包括至少一個開關裝置的轉換 器804。開關電源800還包括數字控制器806，該數字控制器用于基于至少 一個可編程參數來調整至少一個開關裝置的開關頻率從而控制電^f茲干擾。開 關電源800進一步可編程接口 808，該可編程接口 808用來向數字控制器806 提供至少一個可編程參數。圖9示出了根據本發明公開的另一實施例的可編程多級電源卯0。開關 電源900包括用來接收輸入電壓的輸入端902和開關轉換器904，該開關轉
換器904包括第一開關裝置906和第二開關裝置908。開關電源900還包括 數字控制器910，該數字控制器基于至少一個可編程參數來調整第一開關裝 置和第二開關裝置的開關頻率從而控制電vF茲干擾。
如所示那樣，第一開關裝置和第二開關裝置是場效應晶體管，更具體地 講是金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。數字控制器向第一和第 二開關裝置906、 908的控制終端提供脈寬調制(PWM)信號。該PWM信 號定義了開關頻率。為了調整開關頻率，系統控制器910改變了 PWM控制 信號。如上所述，可以線性地、非線性地、或隨機地調整PWM信號，以控 制來自于電源或具有電源的系統的EMI。本領域技術人員可以理解，在開關 電源的不同的實施例中可以使用其它開關裝置，例如不同類型的晶體管，舉 例來說，雙極結型晶體管、場效應晶體管等。開關控制信號也可以在時間上 固定或隨著頻率改變。
開關電源900還包括代表著開關電源的輸出的反饋信號。該反饋信號在 第一和第二開關裝置906、 908的開關頻率的調整上提供了一個附加的變量。 除了開關電源的輸出外，還可以監測其它信號。例如，可以監測輸入電壓和 輸入電流，使得數字控制器基于輸入電壓和(或)輸入電流調整至少一個開 關頻率。
圖10示出了根據另一個實施例的開關電源1000。電源1000包括用于接 收輸入電壓的輸入端1002和連接到輸入端1002用來對輸入電壓進行整流的 全橋式整流器(foil bridge rectifier) 1004。在本發明公開的其它實施例中， 可以包括不同類型的整流器。開關電源也包括與整流器相連的開關轉換器 (switching converter) 1006。該開關轉換器包括在其中 一級中的開關裝置 1008和1010，和在另一級中的開關裝置1012和1014。如圖10所示，開關 電源IOOO還包括數字控制器1016和可編程接口 1018。系統控制器1016基 于至少一個可編程參數來調整開關1008、 1010、 1012以及1014的開關頻率 從而抑制來自于系統的EMI。可編程接口 1018向數字控制器1016提供至少 一個可編程參數。
數字控制器1016監測代表著開關電源的輸出的反饋信號。系統控制器 也監測與輸入電壓相關的電壓和電流。數字控制器也可以監測開關電源的內 部溫度或者安裝了開關電源的系統的溫度。
基于上述監測到的特性，數字控制器可以定義對開關裝置1008、 1010、1012以及1014的一個或多個開關頻率的調整。每個開關頻率基于至少一個 可編程參數，并且也可以選擇基于上述的一個或多個監測到的特性。例如，除了開關電源外，系統可以包括幾個內部組件。基于其它部件的電流-使用情 況，開關電源的電流需求可能會增加和減少。通過監測輸入電流和輸出電流 其中的一個，開關電源在較高電流需求的情況下可以抖動開關裝置1008、 1010、 1012以及1014其中的一個或多個的開關頻率。在電流需求較^f氐時， 一個或多個開關裝置可以在基本頻率處進行切換(即沒有開關頻率調整)。 換句話說， 一個可編程參數可以定義一個或多個閾值開關電源特性，在這種 特性處數字控制器將包括在一個或多個開關裝置的開關頻率的顫抖或擺動。 每個開關頻率可以不取決于一個或多個其它開關裝置的開關頻率，也可以取 決于這種開關頻率。可以理解，本發明公開的教導可以被應用到采用了產生EMI的開關裝 置的AC/DC和DC/DC轉換器。本文的描述本質上僅僅是作為示例的，因此沒有背離所描述的要點的變 化被意指為在教導的范疇內。不能認為這樣的變化脫離了是對教導的精神和 范疇的背離。
權利要求
1. 一個用于向負載提供電流的開關電源，所述電源包含用來接收輸入電壓的輸入端；至少一個連接到所述輸入端的開關裝置；數字控制器，其用于基于一個或多個可編程參數來調整至少一個開關裝置的開關頻率，以控制電磁干擾；和編程接口，其用來向所述數字控制器提供至少一個可編程參數。
2. 如權利要求1所述的開關電源，其中，所述一個或多個可編程參數定 義了對所述開關頻率的線性調整。
3. 如權利要求1所述的開關電源，其中，所述一個或多個可編程參數定 義了對所述開關頻率的隨機調整。
4. 如權利要求l所述的開關電源，其中，所述一個或多個可編程參數定 義了對所述開關頻率的非線性調整。
5. 如權利要求4所述的開關電源，其中，所述數字控制器被配置為基于 所述一個或多個可編程參數和基于操作輸入電壓、操作輸入電流以及溫度中的一個或多個來非線性地調整所述至少一個開關裝置的開關頻率。
6. 如權利要求1所述的開關電源，進一步包含開關轉換器，該開關轉換 器包括所述至少一個開關裝置。
7. 如權利要求l所述的開關電源，其中，所述數字控制器被配置為基于 所述一個或多個可編程參數和所述開關電源的反饋信號來調整所述至少一 個開關裝置的開關頻率。
8. 如權利要求1所述的開關電源，其中，所述至少一個開關裝置包括至 少兩個開關裝置。
9. 一種對安裝到系統中的開關電源進行編程以控制電磁干擾的方法，所述開關電源包括至少一個開關裝置和基于至少一個可編程參數來調整所述至少一個開關裝置的開關頻率的數字控制器，所述方法包含通過用戶接口用 至少一個可編程參數對所述數字控制器編程，所述至少一個可編程參數定義了開關頻率調整，使得來自于所述系統的電磁干擾受到控制。
10. 如權利要求9所述的方法，其中，對所述數字控制器編程包括選 擇線性開關頻率調整。
11. 如權利要求9所述的方法，其中，所述至少一個可編程參數定義 了基于所述開關電源的一個或多個操作條件的開關頻率調整。
12. 如權利要求9所述的方法，其中，對所述數字控制器編程包括選 擇非線性開關頻率調整。
13. 如權利要求12所述的方法，其中，所述至少一個可編程參數定義 了基于所述系統中的輸入電壓、輸入電流、內部溫度、風扇速度、以及襯底 電平中的一個或多個的非線性開關頻率調整。
14. 如權利要求9所述的方法，進一步包含將所述開關電源的編程接 口連接到具有所述用戶接口的計算裝置。
15. 如權利要求9所述的方法，其中，所述用戶接口是圖形用戶接口。
16. 如權利要求9所述的方法，進一步包含將所述開關電源的編程接 口通過通信適配器連接到具有所述用戶接口的計算裝置，所述通信適配器被 配置為與連接到所述計算裝置的多個開關電源通信。
17. 如權利要求9所述的方法，進一步包含為所述至少一個開關裝置 定義基本開關頻率。
18. 如權利要求9所述的方法，進一步包含為所述開關頻率調整定義 一個范圍。
19. 如權利要求9所述的方法，進一步包含測量與所述系統相關的電 磁干擾。
20. —種用于向負載提供直流電流的開關電源，所述開關電源包含 輸入端，其用于接收輸入電壓；整流器，其連接到所述輸入端用來對所述輸入電壓整流； 開關轉換器，其連接到整流電路并且包括至少兩個開關裝置； 數字控制器，其基于至少一個可編程參數來調整所述至少兩個開 關裝置的開關頻率，以控制電磁干擾；和編程接口 ，其用于接收所述至少一個可編程參數。
21. 如權利要求20所述的開關電源，其中，所述數字控制器被配置為 基于所述至少一個可編程參數和所述開關電源的反饋信號來調整所述至少 兩個開關裝置的開關頻率。
22. 如權利要求20所述的開關電源，進一步包含被連接在所述整流器 與所述開關轉換器之間的調節器，該調節器包括至少一個調節器開關裝置， 所述數字控制器被配置為調整所述調節器開關裝置的開關頻率以控制電磁 干擾。
23. —種用于對開關電源的數字控制器編程來控制電磁干擾的計算裝 置，所述計算裝置包含用戶接口和處理器，所述用戶接口用于接收定義了開 關頻率調整的用戶輸入，所述處理器用于響應所述用戶輸入利用至少一個可 編程參數對所述數字控制器編程，所述至少一個可編程參數為所述開關電源 中的一個或多個開關裝置定義了開關頻率調整。
全文摘要
一種在開關電源被安裝到系統之前或之后對該開關電源編程以控制電磁干擾的方法。開關電源包括至少一個開關裝置和一個數字控制器。數字控制器基于一個或多個可編程參數調整至少一個開關裝置的開關頻率。該方法包括通過用戶接口用一個或多個可編程參數對數字控制器編程。可編程參數定義開關頻率調整以控制電磁干擾。
文檔編號H02M3/04GK101399495SQ200810215100
公開日2009年4月1日 申請日期2008年9月1日 優先權日2007年9月29日
發明者戈登·柯里 申請人:雅達電子國際有限公司