一种开关频率抖动方法、开关电路及dc-dc转换器
阅读说明：本技术 一种开关频率抖动方法、开关电路及dc-dc转换器 (Switching frequency dithering method, switching circuit and DC-DC converter ) 是由 李玉山 于 2020-07-05 设计创作，主要内容包括：本申请实施例公开了一种开关频率抖动方法、开关电路及DC-DC转换器,本申请实施例公开的开关频率抖动方法中开关频率在第三开关频率上下抖动或在随机生成的目标开关频率之间上下抖动,本申请实施例还提供一种开关电路及DC-DC转换器可用于控制时钟信号,在提高系统效率、降低噪声、减小纹波、抑制开关谐波和减小电磁辐射等系统综合性能方面达到优化。(The embodiment of the application discloses a switching frequency dithering method, a switching circuit and a DC-DC converter, wherein the switching frequency in the switching frequency dithering method disclosed by the embodiment of the application is dithered up and down at a third switching frequency or dithered up and down between randomly generated target switching frequencies.)
技术领域
本申请实施例涉及开关频率抖动技术领域，尤其涉及一种开关频率抖动方法、开关电路及DC-DC转换器。
背景技术
在许多应用中，需要通过抖动开关频率来实现展频，从而达到降低噪声、减小纹波、抑制开关谐波和减小电磁辐射的目的。
现有技术中，三角频率抖动方法是一种常用的开关频率抖动方法，其将频率在固定的最大值和最小值之间线性变化，虽然三角频率抖动产生的纹波较小，但抑制开关谐波效果有限。
伪随机数二进制序列是另一种常用的开关频率抖动方法，开关频率按照伪随机二进制序列方式变化，伪随机二进制序列可由线性反馈移位寄存器生成，虽然伪随机数二进制序列抖动方法能较有效抑制开关谐波，但它产生比较大的纹波。
专利号为US 9166471专利文献公开了一种将三角频率抖动和基于伪随机二进制序列抖动相结合的抖动方法，在减小纹波的同时，也抑制了开关谐波，但此种技术方案并没有在提高系统效率、降低噪声、减小纹波，抑制开关谐波和减小电磁辐射等系统综合性能方面达到优化。
发明内容
本申请实施例公开了一种开关频率抖动方法、开关电路及DC-DC转换器在提高系统效率、降低噪声、减小纹波，抑制开关谐波和减小电磁辐射等系统综合性能方面达到优化。
根据本申请的第一方面，所述抖动方法用于控制时钟频率变化，所述方法包括：
设定第一开关频率、第二开关频率及它们之间的第三开关频率；
在系列时钟周期开始，设定起始开关频率，并生成第一个伪随机数，基于第一个伪随机数决定开关频率调节的第一个目标开关频率，调节开关频率从起始开关频率逐步变化至第一目标开关频率，再从第一个目标开关频率逐步变化至第三开关频率；
生成第N个伪随机数，基于第N个伪随机数决定开关频率调节的第N个目标开关频率；
比较第N个目标开关频率和第三开关频率大小；
根据比较结果，调节开关频率从第三开关频率逐步变化至第N个目标开关频率，再从第N个目标开关频率逐步变化至第三开关频率，其中，第一目标开关频率和第N个目标开关频率处于第一开关频率和第二开关频率之间，且不等于第三开关频率，其中，N为从2开始的自然数。
根据本申请实施例第一方面，开关频率在第三开关频率上下根据在系列时钟周期开始随机生成的目标开关频率线性变化，开关频率变化幅度相对较小，故本申请实施例公开的开关频率抖动方法在提高系统效率、降低噪声、减小纹波，抑制开关谐波和减小电磁辐射等系统综合性能方面达到优化。
根据本申请实施例第二方面，所述抖动方法用于控制时钟频率变化，所述方法包括：
设定第一开关频率和第二开关频率；
在系列时钟周期开始，设定起始开关频率，并生成第一个伪随机数，基于第一个伪随机数决定开关频率调节的第一个目标开关频率，调节开关频率从起始开关频率逐步变化至第一个目标开关频率；
生成第N个伪随机数，基于第N个伪随机数决定开关频率调节的第N个目标开关频率；
比较第N个目标开关频率和第N-1个目标开关频率大小，其中，第N-1个目标开关频率由随机生成的第N-1个伪随机数决定；
根据比较结果，调节开关频率从第N-1个目标开关频率逐步变化至第N个目标开关频率，第N-1目标开关频率和第N个目标开关频率处于第一开关频率与第二开关频率之间，其中，N为从2开始的自然数。
根据本申请实施例的第二方面，开关频率在系列始终开始随机生成的目标开关频率之间线性变化，开关频率变化幅度相对较小，故本申请实施例公开的开关频率抖动方法在提高系统效率、降低噪声、减小纹波，抑制开关谐波和减小电磁辐射等系统综合性能方面达到优化。
根据本申请实施例第三方面，本申请实施例公开了一种开关电路，所述电路用于控制时钟频率变化，所述电路包括：控制电路和振荡电路；
控制电路，用于设定第一开关频率、第二开关频率及它们之间的第三开关频率；
在系列时钟周期开始，设定起始开关频率，并生成第一个伪随机数，基于第一个伪随机数决定开关频率调节的第一个目标开关频率，调节开关频率从起始开关频率逐步变化至第一目标开关频率，再从第一个目标开关频率逐步变化至第三开关频率；
用于生成第N个伪随机数，基于第N个伪随机数决定开关频率调节的第N个目标开关频率；
用于比较第N个目标开关频率和第三开关频率大小；
根据比较结果，用于调节开关频率从第三开关频率逐步变化至第N个目标开关频率，再从第N个目标开关频率逐步变化至第三开关频率，其中，第一目标开关频率和第N个目标开关频率处于第一开关频率和第二开关频率之间，且不等于第三开关频率，其中，N为从2开始的自然数；
振荡电路，用于接收控制电路输出的开关频率数字信号并转换为具有确定开关频率的时钟信号。
本申请实施例第三方面公开的开关电路有益效果与本申请实施例第一方面公开的技术方案的有益效果相同，在此不再赘述。
根据本申请的第四方面，本申请实施例公开了一种开关电路，所述电路用于控制时钟频率变化，所述电路包括：控制电路和振荡电路；
控制电路，用于设定第一开关频率和第二开关频率；
在系列时钟周期开始，用于设定起始开关频率，并生成第一个伪随机数，基于第一个伪随机数决定开关频率调节的第一个目标开关频率，调节开关频率从起始开关频率逐步变化至第一个目标开关频率；
用于生成第N个伪随机数，基于第N个伪随机数决定开关频率调节的第N个目标开关频率；
用于比较第N个目标开关频率和第N-1个目标开关频率大小，其中，第N-1个目标开关频率由随机生成的第N-1个伪随机数决定；
根据比较结果，用于调节开关频率从第N-1个目标开关频率逐步变化至第N个目标开关频率，第N-1个目标开关频率和第N个目标开关频率处于第一开关频率与第二开关频率之间，其中，N为从2开始的自然数；
振荡电路，用于接收控制电路输出的开关频率数字信号并转换为具有确定开关频率的时钟信号。
本申请实施例第四方面公开的开关电路有益效果与本申请实施例第二方面公开的技术方案的有益效果相同，在此不再赘述。
根据本申请的第五方面，本申请实施例公开了一种DC-DC转换器，DC-DC转换器包括第三方面或第四方面任一项技术方案的开关电路。
根据本申请实施例第五方面，本申请实施例公开了一种DC-DC转换器，其有益效果与上述第一和第三方面或第二和第四方面任一项技术方案的有益效果相同，在此不再赘述。
应注意，本申请实施例提供的开关频率抖动方法、开关电路及DC-DC转换器的更多应用和优势将从下面的详细描述中显而易见。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中将三角和基于伪随机二进制序列混合的开关频率抖动示意图；
图2为本申请实施例第一方面提供的开关频率抖动方法流程示意图；
图3为本申请实施例第一方面提供的开关频率根据随机生成的开关频率抖动示意图；
图4为本申请实施例第二方面提供的开关频率抖动方法流程示意图；
图5为本申请实施例第二方面提供的开关频率根据随机生成的开关频率抖动示意图；
图6为本申请实施例第三方面公开的开关电路结构框图；
图7为图6所示的控制电路结构框图；
图8为本申请实施例第四方面公开的开关电路结构框图；
图9为图8所示的控制电路结构框图；
图10为本申请实施例提供的线性反馈移位寄存器生成伪随机二进制序列示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为现有技术中三角和基于伪随机二进制序列混合开关频率抖动示意图。
现有技术中，在系列时钟周期开始，生成一个伪随机数，基于该伪随机数决定开关频率调节的最大开关频率，调节开关频率从固定最小开关频率递增至最大开关频率，再从最大开关频率递减到固定最小开关频率，开关频率总是在固定最小开关频率与随机生成的最大开关频率之间抖动，现有技术虽然在减小纹波的同时，也抑制了开关谐波，但此种技术方案并没有在提高系统效率、降低噪声、减小纹波，抑制开关谐波和减小电磁辐射等系统综合性能方面达到优化。
相对于图1的三角和基于伪随机二进制序列混合开关频率抖动示意图，图2至图5描述了本申请公开的开关频率抖动方法的两种实施方式。
第一方面，本申请实施例公开的开关频率抖动方法用于在DC-DC转换器中控制时钟频率变化，本申请实施例公开的开关频率抖动方法在提高系统效率、降低噪声、减小纹波，抑制开关谐波和减小电磁辐射等系统综合性能方面达到优化。
图2为本申请实施例第一方面提供的开关频率抖动方法流程示意图。
设定第一开关频率为FMIN、第二开关频率为FMAX及它们之间的第三开关频率为FCENTER，其中，第一开关频率小于第二开关频率，第三开关频率在第一开关频率和第二开关频率之间；第三开关频率为根据整个系统的效率、噪声及其它性能参数等综合优化而得出，在本申请实施例中第三开关频率处于或不处于第一开关频率与第二开关频率之间的频率中心位置，本申请实施例对此不做限制。
由于DC-DC转换器切换信号时，会经历频繁的频率切换，所以为了在提高系统效率、降低噪声、减小纹波，抑制开关谐波和减小电磁辐射等系统综合性能方面达到优化，在系列时钟周期开始，设定起始开关频率，并生成第一个伪随机数，基于第一个伪随机数决定开关频率调节的第一个目标开关频率，调节开关频率从起始开关频率逐步变化至第一目标开关频率，再从第一个目标开关频率逐步变化至第三开关频率；随后，随机生成第N个伪随机数，基于第N个伪随机数决定开关频率调节的第N个目标开关频率，其中，起始开关频率可以为随机生成的频率，或设定的固定频率，设定的固定频率可以与第三开关频率相等或者不等，设定的固定频率处于第一开关频率与第二开关频率之间。
当第N个目标开关频率小于第三开关频率时，调节开关频率从第三开关频率递减至第N个目标开关频率，再逐步回归到第三开关频率，亦即，此第N个目标开关频率通过在第三开关频率上逐步减少伪随机数获得。
当第N个目标开关频率大于第三开关频率时，调节开关频率从第三开关频率递增至第N个目标开关频率，再逐步回归到第三开关频率，亦即，此第N个目标开关频率通过在第三开关频率上逐步增加伪随机数获得。
当开关频率快接近第三开关频率时，然后随机生成第N+1个伪随机数，基于第N+1个伪随机数确定开关频率调节的第N+1个目标开关频率，基于第N+1个目标开关频率与第三开关频率的大小，决定开关频率的抖动方向，循环上述过程，本实施例中，第一个目标开关频率、第N个目标开关频率和第N+1个目标开关频率处于第一开关频率与第二开关频率之间，且不等于第三开关频率，其中，N为从2开始的自然数。
本申请实施例中，开关频率采用线性步进调节。
根据本申请实施例第一方面，在系列时钟周期开始，开关频率在第三开关频率上下根据每次随机生成的目标开关频率进行线性变化，开关频率变化幅度相对较小，故本申请实施例公开的开关频率抖动方法在提高系统效率、降低噪声、减小纹波，抑制开关谐波和减小电磁辐射等系统综合性能方面达到优化。
图3为本申请实施例第一方面提供的开关频率根据随机生成的目标开关频率抖动示意图。
图3表示随机生成第一至第五个目标开关频率FRN1、FRN2、FRN3、FRN4和FRN5，分别处于第一开关频率FMIN和第二开关频率FMAX之间，且在第三开关频率上下变化，当开关频率依次达到第一至第五个目标开关频率时，开关频率都会线性回到第三开关频率。
第二方面，本申请实施例提供的开关频率抖动方法应用在DC-DC转换器中，并用于控制时钟频率变化，本申请实施例公开的开关频率抖动方法在提高系统效率、降低噪声、减小纹波，抑制开关谐波和减小电磁辐射等系统综合性能方面达到优化。
图4为本申请实施例第二方面提供的开关频率抖动方法流程示意图。
设定第一开关频率FMIN和第二开关频率FMAX，其中，第一开关频率小于第二开关频率。
在系列时钟周期开始，设定起始开关频率，并生成第一个伪随机数，基于第一个伪随机数决定开关频率调节的第一个目标开关频率，调节开关频率从起始开关频率逐步变化至第一个目标开关频率；随后，生成第N个伪随机数，基于第N个伪随机数决定开关频率调节的第N个目标开关频率，其中，起始开关频率可以为随机生成的频率，或设定的频率，设定的频率处于第一开关频率与第二开关频率之间。
当第N个目标开关频率大于第N-1个目标开关频率时，调节开关频率从第N-1个目标开关频率递增至第N个目标开关频率，亦即，第N个目标开关频率通过在第N-1个目标开关频率上逐步增加伪随机数获得。
当第N个目标开关频率小于第N-1个目标开关频率时，调节开关频率从第N-1个目标开关频率递减至第N个目标开关频率，亦即，第N个目标开关频率通过在第N-1个目标开关频率上逐步减少伪随机数获得。
当开关频率快接近第N个目标开关频率时，然后随机生成第N+1个伪随机数，基于第N+1伪随机数决定开关频率调节的第N+1目标开关频率，基于第N+1目标开关频率与第N个目标开关频率的大小比较结果，确定开关频率的抖动方向，循环上述过程。
第N-1个目标开关频率，第N个目标开关频率和第N+1个目标开关频率处于第一开关频率与第二开关频率之间，第N个目标开关频率由随机生成的第N个伪随机数决定，其中，N为从2开始的自然数。
本申请实施例中，开关频率采用线性步进调节。
根据本申请实施例的第二方面，在系列时钟周期开始，开关频率在每次随机生成的目标开关频率之间进行线性抖动，开关频率变化幅度相对较小，故本申请实施例公开的开关频率抖动方法在提高系统效率、降低噪声、减小纹波，抑制开关谐波和减小电磁辐射等系统综合性能方面达到优化。
图5为本申请实施例第一方面提供的开关频率根据随机生成的目标开关频率变化示意图。
图5示生成的第一至第八目标开关频率FRN1、FRN2、FRN3、FRN4、FRN5、FRN6、FRN7和FRN8，分别处于第二开关频率和第一开关频率之间，当开关频率依次分别达到生成的第一至第八目标开关频率后，随后，根据随机生成的目标开关频率与上一个目标开关频率确定开关频率的抖动方向。
第三方面，图6为本申请实施例公开的开关电路结构框图。
本申请实施例公开的开关电路用于控制时钟频率变化，电路包括：控制电路01和振荡电路02，控制电路01与振动电路02连接；
控制电路01，用于在系列时钟周期开始，根据第一开关频率FMIN、第二开关频率FMAX及它们之间的第三开关频率FCENTRE，设定起始开关频率，并生成第一个伪随机数，基于第一个伪随机数决定开关频率调节的第一个目标开关频率，调节开关频率从起始开关频率逐步变化至第一目标开关频率，再从第一个目标开关频率逐步变化至第三开关频率；然后，随机生成第N个伪随机数，基于第N个伪随机数决定开关频率调节的第N个目标开关频率；比较第N个目标开关频率和第三开关频率大小；根据比较结果，调节开关频率从第三开关频率开始逐步变化至第N个目标开关频率，再从第N个目标开关频率回归至第三开关频率，第N个目标开关频率处于第一开关频率与第二开关频率之间，且不等于第三开关频率，起始开关频率可以为随机生成的频率或设定的频率，设定的频率可以与第三开关频率相等或者不等，设定的频率处于第一开关频率与第二开关频率之间，其中，N为从2开始的自然数。
振荡电路02，用于接收控制电路输出的开关频率数字信号并转换为具有确定开关频率的时钟信号，控制电路接到时钟信号，线性步进调节频率，并进行循环。
图7为图6所示的开关电路中控制电路结构框图。
控制电路01包括线性反馈移位寄存器01-1和加法器电路02-1，其中，加法器电路02-1包括比较单元02-11、加法器02-22和触发器02-33。
线性反馈移位寄存器02-11，用于根据第一开关频率、第二开关频率及它们之间的第三开关频率，生成第一个伪随机数，基于第一个伪随机数决定开关频率调节的第一个目标开关频率；生成第N个伪随机数，基于第N个伪随机数决定开关频率调节的第N个目标开关频率FRN；
加法器电路，用于比较第一个目标开关频率与起始开关频率之间的大小，及第N个目标开关频率和第三开关频率之间的大小；
根据比较结果，用于调节开关频率从起始开关频率逐步变化至第一个目标开关频率；及用于调节开关频率从第N-1个目标开关频率逐步变化至第N个目标开关频率。
比较单元02-11，用于比较第一个目标开关频率与起始开关频率之间的大小，及第N个目标开关频率和第三开关频率之间的大小，比较单元02-11将比较结果输入到加法器02-22。
当第一个目标开关频率小于起始开关频率时，则加法器02-22将开关频率在起始开关频率上逐步减少伪随机数至第一个目标开关频率或第一开关频率，取较大者为开关频率调节的目标开关频率，当第一个目标开关频率大于第三开关频率时，则加法器02-22将开关频率在起始开关频率上逐步增加伪随机数至第一个目标开关频率或第二开关频率，取较小者为开关频率调节的目标开关频率。
当第N个目标开关频率小于第三开关频率时，则加法器02-22将开关频率在第三开关频率上逐步减少伪随机数至第N个目标开关频率或第一开关频率，取较大者为开关频率调节的目标开关频率，当第N个目标开关频率大于第三开关频率时，则加法器02-22将开关频率在第三开关频率上逐步增加伪随机数至第N个目标开关频率或第二开关频率，取较小者为开关频率调节的目标开关频率，调节的开关频率FSET经加法器02-22后得到开关频率FSET＿NEXT，然后通过触发器02-33，如此循环直到达到目标开关频率。
根据此开关电路实现对开关频率的抖动，在提高系统效率、降低噪声、减小纹波，抑制开关谐波和减小电磁辐射等系统综合性能方面达到优化。
第四方面，图8为本申请实施例公开的开关电路的结构框图。
本实施例图8与图6所示的开关电路不同之处为控制电路部分，其余部分一致，本申请实施例公开的开关电路用于控制时钟频率变化，所述电路包括：控制电路01和振荡电路02，控制电路01与振动电路02连接；
控制电路01，用于设定第一开关频率和第二开关频率；
在系列时钟周期开始，用于设定起始开关频率，并生成第一个伪随机数，基于第一个伪随机数决定开关频率调节的第一个目标开关频率，调节开关频率从起始开关频率逐步变化至第一个目标开关频率；
用于生成第N个伪随机数，基于第N个伪随机数决定开关频率调节的第N个目标开关频率；
用于比较第N个目标开关频率和第N-1个目标开关频率大小，其中，第N-1个目标开关频率由随机生成的第N-1个伪随机数决定；
根据比较结果，用于调节开关频率从第N-1个目标开关频率逐步变化至第N个目标开关频率，第N-1个目标开关频率和第N个目标开关频率处于第一开关频率与第二开关频率之间，起始开关频率可以为随机生成的频率，或设定的频率，设定的频率处于第一开关频率与第二开关频率之间，其中，N为从2开始的自然数。
振荡电路02，用于接收控制电路输出的开关频率数字信号并转换为具有确定开关频率的时钟信号，控制电路接到时钟信号输入，线性步进调节频率，并进行循环。
图9为图8所示的开关电路中的控制电路部分结构框图。
本实施例图9与图7所示的控制电路部分相比，在加法器电路02-1部分增加钳位电路02-44，其余部分相同。
控制电路01包括线性反馈移位寄存器01-1和加法器电路02-1，其中，加法器电路02-1包括：比较单元02-11、加法器02-22、触发器02-33和钳位电路02-44。
线性反馈移位寄存器02-11，用于生成第一个伪随机数，基于第一个伪随机数决定开关频率调节的第一个目标开关频率；
用于生成第N个伪随机数，基于第N个伪随机数决定开关频率调节的第N个目标开关频率。
比较单元02-11，用于比较第一个目标开关频率与起始开关频率之间的大小，及第N个目标开关频率和第N-1开关频率之间的大小，其中，第N-1个目标开关频率由随机生成的第N-1个伪随机数决定；比较单元02-11将比较结果输入到加法器02-22，其中N为从2开始的自然数。
当第一个目标开关频率小于起始开关频率时，则加法器02-22将开关频率在起始开关频率上逐步减少伪随机数至第一个目标开关频率，当第一个目标开关频率大于起始开关频率时，则加法器02-22将开关频率在起始开关频率上逐步增加伪随机数至第一个目标开关频率。
当第N个目标开关频率小于第N-1个目标开关频率时，则加法器02-22将开关频率在第N-1个目标开关频率上递减伪随机数至第N个目标开关频率；当第N个目标开关频率大于第N-1个目标开关频率时，则加法器02-22将开关频率在第N-1个目标开关频率上递增伪随机数至第N个目标开关频率。调节的开关频率FSET通过钳位电路02-44和触发器02-33后，经加法器02-22到下一个开关频率FSET＿NEXT，如此循环直到达到目标开关频率，钳位电路02-44设置在加法器02-22输出端与触发器02-33输入端之间用于控制生成开关频率处于第一开关频率和第二开关频率之间。
根据此开关电路实现对开关频率的抖动，在提高系统效率、降低噪声、减小纹波，抑制开关谐波和减小电磁辐射等系统综合性能方面达到优化从而在提高开关电路转换效率的同时，降低了噪声，较小纹波，抑制了谐波，减小了电磁辐射，有效提升了开关抖动电路的综合性能。
图10为本申请实施例提供的线性反馈移位寄存器生成伪随机二进制序列示意图。本申请实施例提供的开关频率抖动方法、开关电路及使用开关频率抖动方法和开关电路的DC-DC转换器，都需要根据线性反馈移位寄存器生成的伪随机二进制序列生成开关频率。
第五方面，本申请实施例公开了一种DC-DC转换器，DC-DC转换器包括如第三或第四方面公开的开关电路。
本申请实施例提供的DC-DC转换器以用于传输时钟信号，在提高系统效率、降低噪声、减小纹波，抑制开关谐波和减小电磁辐射等系统综合性能方面达到优化。。
本申请实施例提供的DC-DC转换器可以用在智能硬件，如智能手机等等。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
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