專利名稱：用于運(yùn)行開關(guān)電源的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于運(yùn)行開關(guān)電源的方法，該開關(guān)電源包括借助于具有可變開關(guān) 頻率的開關(guān)信號來接通和斷開的開關(guān)元件，其中為了確定所述開關(guān)信號的頻譜的平均電平 預(yù)先給定頻帶寬度。此外，本發(fā)明還涉及一種用于執(zhí)行該方法的開關(guān)電源。
背景技術(shù)：
開關(guān)電源通常以千赫范圍內(nèi)的時鐘頻率切換，其中開關(guān)元件大多借助于經(jīng)過脈沖 寬度調(diào)制的開關(guān)信號而被控制。經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)信號的陡沿尤其導(dǎo)致不期望的電 磁干擾。在開關(guān)電源的電磁兼容性(EMV)的范圍內(nèi)對這樣的干擾加以處理。將有線干擾與自由空間中的干擾輻射加以區(qū)分。為了使由不希望的耦合造成的對 其它電氣設(shè)備的電磁干擾的影響保持得小，應(yīng)當(dāng)遵守EMV規(guī)定。在此，通常確定頻帶寬度以 用于確定開關(guān)信號的頻譜的平均電平，其中不允許超過最大允許的平均干擾電平。因此，頻 帶寬度對應(yīng)于干擾電平測量設(shè)備的濾波器帶寬。由于在非常低的頻率處干擾大多不成問 題，因此EMV規(guī)定通常規(guī)定用于確定平均干擾電平的下限頻率。在小的開關(guān)頻率的情況下， 頻譜的一次諧波可能低于該極限頻率，使得對于確定允許的干擾電平來說重要的是具有更 高階數(shù)的諧波。為了遵守EMV規(guī)定，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)例如獲悉高成本的濾波器，用于阻止電磁干擾 沿著與開關(guān)電源相連接的線路以及通過自由空間的傳播。公知的還有在形成開關(guān)信號時使用頻率調(diào)制方法，以便減小頻譜的平均干擾電 平。在此，力求頻譜的展寬(spread spectrum technology(擴(kuò)頻技術(shù)))，由此在干擾電平 測量設(shè)備的濾波器帶寬不變的情況下得出更小的平均干擾電平。這樣的方法大多以三角形或鋸齒形調(diào)制函數(shù)、低的調(diào)制頻率、以及高的調(diào)制指數(shù) 工作，并且在一些市場上可購買的用于開關(guān)電源(例如Topswitch)的控制組件中已經(jīng)被實(shí) 施。在此，干擾電平的峰值并未被降低，因為頻譜分量彼此之間具有比干擾電平測量設(shè)備的 規(guī)定的濾波器帶寬更小的頻率間隔。為了進(jìn)一步改善開關(guān)電源的電磁兼容性，還應(yīng)力求減小干擾電平峰值。在 Wiemer I.的 文 獻(xiàn) “ Fr e i pr o gr amm i er b ar e Ansteuerung eines AufwSrtswandlers”(德累斯頓工業(yè)大學(xué)學(xué)業(yè)論文，德累斯頓，2001年li月30 日)中描述了一種使用許多離散調(diào)制頻率的混沌頻率調(diào)制方法。因此，將干擾頻譜幾乎任 意地與可用的濾波器相匹配并且同時降低干擾電平的峰值是可行的。然而，該方法需要使 用具有高計算能力的(信號)處理器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所基于的任務(wù)是，改進(jìn)從現(xiàn)有技術(shù)中公知的用于改善開關(guān)電源的電磁兼容 性的方法。根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)利用開頭所述類型的方法來解決，其中利用大于頻帶寬度的頻率。在此，所述頻帶寬度對應(yīng)于干擾電平測量設(shè)備的預(yù)先規(guī)定的濾 波器帶寬。所述開關(guān)信號通常被構(gòu)造為經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制的矩形信號，由此在未經(jīng)調(diào)制的 情況下在具有奇數(shù)階數(shù)的諧波處形成峰值電平。利用根據(jù)本發(fā)明的方法，通過在有關(guān)諧波的范圍內(nèi)構(gòu)造所謂的諧波組來有效地減 小臨界(kritisch)諧波的峰值電平。在此，處于在未經(jīng)開關(guān)頻率調(diào)制的情況下將會出現(xiàn)峰 值電平的頻率附近的頻譜中的頻率的電平近似地具有與現(xiàn)在被減小的峰值電平相等的水 平。因此，尤其是在頻譜的低范圍中導(dǎo)致干擾電平的減小，由此減小電源濾波器部件的必要 尺寸。正是在所述頻率范圍中，有效的濾波器部件特別大。根據(jù)本發(fā)明的方法可以與上述的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的調(diào)制方法相組合，以用于進(jìn)一步 減小平均電平。通過僅僅使用最多五個離散頻率，可以在沒有附加的處理器的情況下將該方法實(shí) 現(xiàn)為所謂的頻移鍵控方法。該方法可以以簡單的方式利用開關(guān)電源的現(xiàn)有開關(guān)處理器或控 制電路來實(shí)現(xiàn)。在此有利的是，為了調(diào)制開關(guān)頻率而預(yù)先給定具有周期性信號形狀的調(diào)制信號， 在最簡單的情況下預(yù)先給定具有兩個離散頻率的矩形信號。由此使得能夠在確定的頻率范圍中將干擾的峰值電平以及平均電平減小高達(dá) 6dB。尤其可行的是，利用僅僅兩個離散頻率在直到10MHz的范圍中將干擾頻譜減小高達(dá) 6dB。在10MHz以上的范圍中，同樣可以實(shí)現(xiàn)干擾電平的減小，其中干擾大多出現(xiàn)在開關(guān)頻 率的諧波之間。該方法的另一實(shí)施形式規(guī)定為了確定開關(guān)信號的頻譜的最大允許電平而預(yù)先給 定下限頻率；將頻率大于所述極限頻率并且具有最大干擾電平的那些諧波確定為開關(guān)信號 在未經(jīng)開關(guān)頻率調(diào)制的情況下的頻譜的臨界諧波。在此，為了調(diào)制所述開關(guān)頻率而預(yù)先給 定調(diào)制指數(shù)，該調(diào)制指數(shù)對應(yīng)于大約1. 42除以臨界諧波的階數(shù)的商的值。由此保證將所述 臨界諧波的峰值電平減小最大可能的量。此外有利的是，根據(jù)開關(guān)信號的占空比來確定臨界諧波。隨著占空比變小，干擾頻 譜包含越來越多的諧波。因此，在極限頻率不變的情況下，改變的占空比引起對臨界諧波的 重新確定，在所述臨界諧波的情況下，出現(xiàn)最大干擾電平。除了該方法以外，本發(fā)明還將一種開關(guān)電源作為主題，所述開關(guān)電源包括借助于 微控制器或控制電路來控制的開關(guān)元件，其中所述微控制器或控制電路被設(shè)立用于執(zhí)行根 據(jù)本發(fā)明的方法。在此，該方法以簡單的方式在被用于控制開關(guān)信號的微控制器中(或在 被用于控制開關(guān)信號的控制電路中)得以實(shí)現(xiàn)。


下面參考附圖以示例性的方式闡述本發(fā)明。其中圖1以示意圖的形式示出時域圖中的未經(jīng)調(diào)制的開關(guān)信號、調(diào)制信號、以及經(jīng)調(diào) 制的開關(guān)信號。圖2以示意圖的形式示出頻域圖中的未經(jīng)調(diào)制的開關(guān)信號。圖3以示意圖的形式示出頻域圖中的經(jīng)調(diào)制的開關(guān)信號。
具體實(shí)施例方式在圖1中示出經(jīng)調(diào)制和未經(jīng)調(diào)制的示例性開關(guān)信號在時域中的曲線。在上部的圖 中繪制有具有開關(guān)頻率4 (例如60kHz)的(例如在開關(guān)電源調(diào)節(jié)器的輸出端處的)未經(jīng)調(diào) 制的開關(guān)信號SIGs隨時間t變化的曲線。在此，假設(shè)大致為50%的占空比，使得在圖2中 的頻譜中，奇次諧波具有相應(yīng)的電平A。在中部的圖中將調(diào)制信號MOD示例性地表示為矩形函數(shù)。替代于此，也可以預(yù) 先給定鋸齒形信號、三角形信號、正弦信號、或者其它信號。根據(jù)本發(fā)明，調(diào)制頻率fM大 于干擾電平測量設(shè)備的預(yù)先規(guī)定的濾波器帶寬(例如在濾波器帶寬為10kHz的情況下為 10. 5kHz)。在圖2中示出頻域中的未經(jīng)調(diào)制的信號。該頻譜在一次、三次、五次、七次諧波等 處具有干擾電平，其中一次和三次諧波的干擾電平超過允許的電平絕對值|Azul|。由于電 平的符號對評價電磁兼容性來說不重要，因此僅僅示出隨著開關(guān)頻率fs變化的電平絕對值
|A|。EMV規(guī)定對從極限頻率&(例如100Hz)起限制干擾電平進(jìn)行規(guī)定。在低于該極限 頻率fe的頻率處出現(xiàn)的干擾電平可以忽略。在本例中，在極限頻率fe以上，在三次諧波處 出現(xiàn)超過允許的電平絕對值|Azul|的峰值干擾電平，因此該三次諧波被確定為臨界諧波。例 如傅立葉變換或者拉普拉斯變換可以用于確定該臨界諧波。圖3示出經(jīng)調(diào)制的開關(guān)信號SIGs_m的頻譜，該開關(guān)信號SIGs_m隨時間t變化的 曲線在圖1中的下部的圖中示出。在此，通過示例性地應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的方法來減小三次 諧波的峰值電平。有利地利用下面的公式來確定調(diào)制指數(shù)n = Af/fM ^ 1, 42/n在此，n為臨界諧波的階數(shù)(例如為3)，fM為調(diào)制頻率(例如10. 5kHz)，并且A f 為頻率偏移(在矩形調(diào)制信號的情況下兩個離散開關(guān)頻率fsl、fS2與中頻fs的偏差)。在示例性的未經(jīng)調(diào)制的開關(guān)頻率fs等于60kH的情況下，針對頻移鍵控方法(利 用矩形調(diào)制信號的調(diào)制)得出如下的離散開關(guān)頻率fsl、fS2 Af ^ 1, 42/n * fM = 1，42/3 * 10，5 5kHzfsl ^ 55kHzfS2 ^ 65kHz由于高的調(diào)制頻率fM，開關(guān)頻率fs在幾個開關(guān)脈沖之后(例如如圖1中下部的圖 中所示，在4或6個開關(guān)脈沖之后)在兩個離散頻率fsl、fS2之間變化。因此，在頻譜(圖3)中，在諧波的范圍內(nèi)形成諧波組，其中峰值電平相對于未經(jīng)調(diào) 制的開關(guān)頻率fs (圖2)減小高達(dá)6dB。尤其是對應(yīng)于臨界諧波的諧波組具有明顯減小的峰 值電平，因為該諧波組的三個中頻的電平值近似地大小相等。作為該調(diào)制方法的結(jié)果，這些諧波組的所有峰值電平都低于允許的電平絕對值 |Azul|。在此，可以附加地疊加根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于減小平均電平的調(diào)制方法。
權(quán)利要求
一種用于運(yùn)行開關(guān)電源的方法，所述開關(guān)電源包括借助于具有可變開關(guān)頻率(fS)的開關(guān)信號(SIGS)來接通和斷開的開關(guān)元件，其中為了確定所述開關(guān)信號(SIGS)的頻譜的平均電平(A)預(yù)先給定頻帶寬度，其特征在于，利用大于所述頻帶寬度的調(diào)制頻率(fM)來調(diào)制所述開關(guān)頻率(fS)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為了調(diào)制所述開關(guān)頻率(fs)預(yù)先給定具 有周期性信號形狀的調(diào)制信號(MOD)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，為了調(diào)制所述開關(guān)頻率(fs)預(yù)先給 定最多五個離散頻率(fsi，fs2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，將矩形信號預(yù)先給定為調(diào)制信號(MOD)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述調(diào)制頻率(fM)超過所述頻 帶寬度大約5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，-為了確定所述開關(guān)信號(SIGs)的頻譜的最大電平預(yù)先給定下限頻率(fe)； -將頻率大于所述極限頻率(fe)并且具有最大干擾電平(A)的那些諧波確定為所述開 關(guān)信號(SIGs)在未經(jīng)開關(guān)頻率調(diào)制的情況下的頻譜的臨界諧波；_此外為了調(diào)制所述開關(guān)頻率(SIGs)預(yù)先給定調(diào)制指數(shù)(η)，所述調(diào)制指數(shù)(η)對 應(yīng)于大約1. 42除以所述臨界諧波的階數(shù)(n)的商的值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述開關(guān)信號(SIGs)的占空比來確 定所述臨界諧波。
8.一種開關(guān)電源，所述開關(guān)電源包括借助于微控制器或控制電路來控制的開關(guān)元件， 其特征在于，所述微控制器或控制電路被設(shè)立用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于運(yùn)行開關(guān)電源的方法，所述開關(guān)電源包括借助于具有可變開關(guān)頻率(fS)的開關(guān)信號(SIGS)來接通和斷開的開關(guān)元件，其中為了確定所述開關(guān)信號(SIGS)的頻譜的平均電平(A)預(yù)先給定頻帶寬度，并且其中利用大于所述頻帶寬度的調(diào)制頻率(fM)來調(diào)制所述開關(guān)頻率(fS)。由此以簡單的方式引起干擾頻譜的峰值電平的減小。
文檔編號H02M1/44GK101855815SQ200880112070
公開日2010年10月6日 申請日期2008年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月17日
發(fā)明者E·洛寧格, H·德莫林 申請人:西門子公司