專利名稱：一種降低開關(guān)功率損耗的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)電路設(shè)計(jì)，尤其涉及一種旨在降低開關(guān)信號(hào)在驅(qū)動(dòng)電路及負(fù) 載上所產(chǎn)生額外功耗的電路控制方法，屬于微電子電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
開關(guān)是一種用來接通和斷開電路的元件，應(yīng)用在各種電子設(shè)備、家用電器中。相 對(duì)而言，電路中開關(guān)以外的部分可視為負(fù)載器件?，F(xiàn)今，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨之而來的開關(guān) 革命也取得了重大進(jìn)展，開關(guān)的種類紛繁復(fù)雜。按用途分包括波動(dòng)開關(guān)、波段開關(guān)、錄放開 關(guān)、電源開關(guān)、預(yù)選開關(guān)、限位開關(guān)、控制開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)和隔離開關(guān)等；按結(jié)構(gòu)分包括滑動(dòng) 開關(guān)、鈕扣開關(guān)、撥動(dòng)開關(guān)、按鈕開關(guān)、按鍵開關(guān)及薄膜開關(guān)等；按開關(guān)數(shù)上海由單鍵、雙鍵 和多鍵之分；從驅(qū)動(dòng)原理上來看，其分類包括電功驅(qū)動(dòng)開關(guān)、音頻驅(qū)動(dòng)開關(guān)、光驅(qū)動(dòng)開關(guān)等。 然而，無論以何種方式驅(qū)動(dòng)開關(guān)工作，用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)的開關(guān)信號(hào)都存在一定的固有頻率；尤 其在集成電路的應(yīng)用中越來越多的高頻信號(hào)都會(huì)在開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載上造成開關(guān)功 率損耗。為克服這種額外的開關(guān)功率損耗，在傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中普遍采用PWM、PDM等多 種調(diào)制方式，在固定頻率上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高功率的信號(hào)，也同時(shí)對(duì)系統(tǒng)造成電磁干擾(EMI)。 即使采用擴(kuò)頻時(shí)鐘等設(shè)計(jì)手段將高功率的高頻EMI被分散到光譜的頻率范圍內(nèi)，但高頻的 EMI仍不可完全避免，使得許多系統(tǒng)中必須使用高頻濾波器件以減小EMI，這便大大增加了 系統(tǒng)成本。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在開關(guān)器件的缺陷，本發(fā)明的目的旨在提出一種降低開關(guān)功 率損耗的控制方法，解決傳統(tǒng)開關(guān)設(shè)計(jì)不對(duì)開關(guān)頻率加以處理，而造成開關(guān)功率損耗的問 題，同時(shí)避免EMI電磁干擾，降低開關(guān)系統(tǒng)整體成本。本發(fā)明的上述目的，將通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)一種降低開關(guān)功率損耗的控制方法，開關(guān)信號(hào)經(jīng)整形環(huán)路濾波后由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng) 負(fù)載，其中所述整形環(huán)路包含有用于設(shè)定開關(guān)信號(hào)頻率閥值的翻轉(zhuǎn)頻率調(diào)制控制器，其特 征在于將所述驅(qū)動(dòng)電路與負(fù)載上的開關(guān)頻率反饋輸出至整形環(huán)路，以形成對(duì)開關(guān)頻率進(jìn) 行衰減抑制的整形濾波控制環(huán)路。進(jìn)一步地優(yōu)化方案為該整形環(huán)路之一為數(shù)?；旌显肼暈V波環(huán)路；該驅(qū)動(dòng)電路為H橋驅(qū)動(dòng)電路、半橋驅(qū)動(dòng)電路或全橋驅(qū)動(dòng)電路中的一種；該開關(guān)信號(hào)頻率閥值由翻轉(zhuǎn)頻率調(diào)制控制器單一固定；或者該開關(guān)信號(hào)頻率閥值 由翻轉(zhuǎn)頻率調(diào)制控制器多閥值固定，并于該些不同閥值中交替選值；又或者該開關(guān)信號(hào)頻 率閥值由翻轉(zhuǎn)頻率調(diào)制控制器范圍化固定，并于該范圍內(nèi)隨機(jī)抽值；還或者可通過其它控 制方法進(jìn)行頻率閥值的處理和控制。進(jìn)一步地，前述一種降低開關(guān)功率損耗的控制方法，其中該控制方法適用于開關(guān)類驅(qū)動(dòng)電路及其系統(tǒng)之中，至少包括開關(guān)類音頻驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)類電源系統(tǒng)及開關(guān)類馬達(dá) 驅(qū)動(dòng)電路。本發(fā)明上述降低開關(guān)功率損耗的控制方法，其應(yīng)用實(shí)施后的突出效果為該方法 將開關(guān)電路的翻轉(zhuǎn)頻率融合到整形濾波控制環(huán)路中去，對(duì)開關(guān)翻轉(zhuǎn)的高頻率部分進(jìn)行自動(dòng) 調(diào)制，遏制了開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載的功率損耗，從而提高了開關(guān)整體系統(tǒng)的有 效功耗；同時(shí)降低了整體系統(tǒng)減小EMI干擾(電磁波干擾)的設(shè)計(jì)成本。以下便結(jié)合本發(fā)明若干實(shí)施例及其附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳 述，以使本發(fā)明技術(shù)方案更易于理解、掌握。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)開關(guān)類音頻驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)原理框圖；圖2是傳統(tǒng)音頻驅(qū)動(dòng)采用Delta-sigma調(diào)制后的仿真與測試結(jié)果；圖3是本發(fā)明開關(guān)類音頻驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)原理框圖；圖4a和圖4b是應(yīng)用本發(fā)明控制方法采用不同開關(guān)頻率調(diào)制的音頻驅(qū)動(dòng)的仿真與 測試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式針對(duì)傳統(tǒng)開關(guān)系統(tǒng)中一直無法避免的開關(guān)功率損耗，尤其是由于開關(guān)信號(hào)中高頻 率部分在驅(qū)動(dòng)電路及負(fù)載上所產(chǎn)生的功率損耗，本發(fā)明研究人員通過多年經(jīng)驗(yàn)的累積及精 心的研究，揭示出了一種能從根本上降低開關(guān)功耗的開關(guān)電路控制方法，通過將開關(guān)電路 的翻轉(zhuǎn)頻率融合到整形濾波控制環(huán)路中去，對(duì)開關(guān)翻轉(zhuǎn)的高頻率部分進(jìn)行自動(dòng)調(diào)制，從而 遏制開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載的功率損耗。以開關(guān)類音頻驅(qū)動(dòng)為例來看首先，對(duì)比如圖3所示的本發(fā)明控制方法的系統(tǒng)原理框圖與如圖1所示的現(xiàn)有技 術(shù)系統(tǒng)原理框圖。從圖中所示可以看到該傳統(tǒng)音頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的輸入的開關(guān)信號(hào)為16位至24位 的高保真數(shù)字音頻信號(hào)，該輸入的數(shù)字式音頻信號(hào)經(jīng)數(shù)字調(diào)制電路進(jìn)行插置濾波等手段的 調(diào)制、并經(jīng)過脈沖密度或?qū)挾日{(diào)制及數(shù)?；旌显肼曊苇h(huán)路濾波后以模擬信號(hào)的形式輸出 至H橋驅(qū)動(dòng)電路，并進(jìn)而驅(qū)動(dòng)喇叭負(fù)載工作。在這個(gè)過程中，喇叭負(fù)載上開關(guān)信號(hào)的頻率未 加以控制，開關(guān)信號(hào)在H橋驅(qū)動(dòng)電路和喇叭負(fù)載上形成功率損耗。在實(shí)際電路應(yīng)用中，這部 分功率損耗是造成整體電路系統(tǒng)功耗居高難下的一部分原因，應(yīng)得以充分重視。解決這一 問題，也為講題整體電路系統(tǒng)功耗提供了一條可行的途徑。并且，傳統(tǒng)系統(tǒng)中高頻EMI的產(chǎn) 生是無法避免的，必須通過調(diào)制系統(tǒng)外的再次濾波才能消除。由此引入的高頻濾波器，必然 使得系統(tǒng)集成的成本提高。該傳統(tǒng)音頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用Delta-sigma調(diào)制后的仿真與測試結(jié) 果如圖2所示，可以清晰地看到高頻EMI干擾。圖3所示可見，在傳統(tǒng)音頻驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明對(duì)開關(guān)信號(hào)的頻率進(jìn)行了進(jìn)一 步地環(huán)路調(diào)制，達(dá)到抑制高頻信號(hào)的目的。具體來看，當(dāng)16位至24位的高保真數(shù)字音頻信 號(hào)經(jīng)過數(shù)字調(diào)制電路與PWM和PDM的初步調(diào)制后輸入數(shù)模混合噪聲整形環(huán)路，該整形環(huán)路 包含有用于設(shè)定開關(guān)信號(hào)頻率閥值的翻轉(zhuǎn)頻率調(diào)制控制器，通過設(shè)定不同的頻率閥值，響應(yīng)輸入的開關(guān)信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)后續(xù)H橋驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)行。而在H橋驅(qū)動(dòng)電路的輸出端常規(guī) 設(shè)計(jì)有一個(gè)實(shí)時(shí)的翻轉(zhuǎn)頻率記錄器。此處，該控制方法利用該翻轉(zhuǎn)頻率記錄器，將該開關(guān)驅(qū) 動(dòng)電路和負(fù)載上開關(guān)信號(hào)的翻轉(zhuǎn)頻率通過記錄后與輸入的開關(guān)信號(hào)累加，作為數(shù)模混合整 形環(huán)路輸入的一部分，構(gòu)成整形濾波控制環(huán)路。除響應(yīng)電路系統(tǒng)本身的開關(guān)功能外，當(dāng)開關(guān) 頻率超過一定閥值時(shí)，系統(tǒng)將通過反饋回路對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行衰減性抑制，同時(shí)因?yàn)殚_關(guān)頻 率為數(shù)模混合整形濾波控制環(huán)路的輸入信號(hào)的一部分，整個(gè)反饋系統(tǒng)仍保持穩(wěn)定狀態(tài)。所 不同的是，開關(guān)頻率中的高頻率部分得到了有效抑制，因而當(dāng)反饋回路在極短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn) 定后，將不會(huì)在H橋驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載上產(chǎn)生額外的功率損耗，并且有效消除了由開關(guān)信號(hào) 高頻帶來的EMI干擾。如圖4a和圖4b所示，通過翻轉(zhuǎn)頻率調(diào)制控制器設(shè)定不同頻率閥值 進(jìn)行調(diào)制，得到的仿真與測試結(jié)果，可以清晰地看到高頻EMI信號(hào)被大大削減或完全消除， 同時(shí)系統(tǒng)的開關(guān)功率損耗大大降低。其中，該翻轉(zhuǎn)頻率調(diào)制控制器閥值設(shè)定方式具有多樣性，例如可以是簡單固定單 一值；也可以是固定多閥值，并于該些不同閥值中交替選值；還可以是在一定范圍內(nèi)固定， 并在該范圍內(nèi)隨機(jī)抽值。除上述音頻驅(qū)動(dòng)的實(shí)施方式外，本發(fā)明一種降低開關(guān)功率損耗的控制方法具有較 廣的應(yīng)用范圍，可以應(yīng)用在所有開關(guān)類驅(qū)動(dòng)電路和系統(tǒng)中。比較典型的應(yīng)用包括開關(guān)類音 頻驅(qū)動(dòng)(class-D，class-G等等)、開關(guān)類電源(switchingregulator)和開關(guān)類馬達(dá)驅(qū)動(dòng)寸。
權(quán)利要求
一種降低開關(guān)功率損耗的控制方法，開關(guān)信號(hào)經(jīng)整形環(huán)路濾波后由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載，其中所述整形環(huán)路包含有用于設(shè)定開關(guān)信號(hào)頻率閥值的翻轉(zhuǎn)頻率調(diào)制控制器，其特征在于將所述驅(qū)動(dòng)電路與負(fù)載上的開關(guān)頻率反饋輸出至整形環(huán)路，以形成對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行衰減抑制的整形濾波控制環(huán)路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低開關(guān)功率損耗的控制方法，其特征在于所述整形 環(huán)路之一為數(shù)模混合噪聲濾波環(huán)路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低開關(guān)功率損耗的控制方法，其特征在于所述驅(qū)動(dòng) 電路為H橋驅(qū)動(dòng)電路、半橋驅(qū)動(dòng)電路或全橋驅(qū)動(dòng)電路中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低開關(guān)功率損耗的控制方法，其特征在于所述開關(guān) 信號(hào)頻率閥值由翻轉(zhuǎn)頻率調(diào)制控制器單一固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低開關(guān)功率損耗的控制方法，其特征在于所述開關(guān) 信號(hào)頻率閥值由翻轉(zhuǎn)頻率調(diào)制控制器多閥值固定，并于該些不同閥值中交替選值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低開關(guān)功率損耗的控制方法，其特征在于所述開關(guān) 信號(hào)頻率閥值由翻轉(zhuǎn)頻率調(diào)制控制器范圍化固定，并于該范圍內(nèi)隨機(jī)抽值。
7.權(quán)利要求1所述的一種降低開關(guān)功率損耗的控制方法，其特征在于所述控制方法 適用于開關(guān)類驅(qū)動(dòng)電路及其系統(tǒng)之中，至少包括開關(guān)類音頻驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)類電源系統(tǒng)及 開關(guān)類馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種降低開關(guān)功率損耗的控制方法，開關(guān)信號(hào)經(jīng)整形環(huán)路濾波后由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載，其中所述整形環(huán)路包含有用于設(shè)定開關(guān)信號(hào)頻率閥值的翻轉(zhuǎn)頻率調(diào)制控制器，特別地，所述驅(qū)動(dòng)電路與負(fù)載上的開關(guān)頻率反饋輸出至整形環(huán)路，構(gòu)成整形濾波控制環(huán)路，以對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行衰減抑制。本發(fā)明方法將開關(guān)電路的翻轉(zhuǎn)頻率融合到整形濾波控制環(huán)路中去，對(duì)開關(guān)翻轉(zhuǎn)的高頻率部分進(jìn)行自動(dòng)調(diào)制，遏制了開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載的功率損耗，從而提高了開關(guān)整體系統(tǒng)的有效功耗；同時(shí)降低了整體系統(tǒng)減小EMI干擾(電磁波干擾)的設(shè)計(jì)成本。
文檔編號(hào)H03K3/02GK101951245SQ20101027468
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者何德軍, 周之栩, 應(yīng)峰, 李凡, 牟陟 申請人:思瑞浦(蘇州)微電子有限公司