扩频调制电路、可变频率三角波发生器以及信号处理方法

摘要

本发明的实施例公开了一种扩频调制电路、可变频率三角波发生器以及信号处理方法。该扩频调制电路包括可变频率三角波发生器、第一比较器以及第二比较器，所述可变频率三角波发生器分别与所述第一比较器以及第二比较器连接，所述第一比较器以及第二比较器根据输入信号、以及所述可变频率三角波发生器输入的可变频率三角波，实现对脉冲宽度调制PWM的扩频。本发明的实施例中，使用随机信号控制电容的变化以产生一个频率变化的三角波电路，实现了扩频调制电路，结构实现简单，使得高频分量类似于白噪声的分布，有效减少了现有电路中的电磁干扰。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种扩频调制电路、可变频率三角波发生器以及信号处理方法。

背景技术

目前，D类音频功率放大器广泛用于在驱动扬声器中对音频信号进行功率转换。D类功率放大器使输出级工作在开关状态，从而达到高效率的目的。D类功率放大器具有高效率的特点，降低甚至去除了散热成本，用在手持设备中可以大大延长电池使用时间，减少系统成本，减少体积。

由于PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)调制的Filter less的D类功率放大器的输出依然存在高频的载波及其谐波分量，输出的波形是脉冲波形，因此存在非常多的高频分量，EMI(Electro Magnetic Interference，电磁干扰)问题非常严重。

现有技术中的PWM调制器主要包括两个比较器和一个三角波发生器(Ramp)，电路如图1所示。PWM是将输入音频信号与以固定载波频率工作的三角波或斜波进行比较，这在载波频率条件下产生一串脉冲。在每个载波周期内，PWM脉冲的占空比正比于音频信号的幅度。

Ramp的一实现电路如图2所示，为一固定频率的三角波产生电路。通过Logic电路模块来控制SW_source和SW_sink两个开关，两个电流源I_source和I_sink在不同的状态下分别对内部集成的电容进行充电和放电，从而得到RAMP波，由于音频的频率范围为20-20kHz，载波频率可设为大于200kHz，就能满足要求。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术至少存在以下问题：

现有技术要求终端产品必须通过现有准峰值检测限制以确保最低程度的EMI。在准峰值检测中，所测定的信号等级是由信号频谱分量的重复频率来衡量的。重复频率越低，准峰值读数也就越低。采用FFM(Fixed Frequency Mode，固定频率模式)的三角波调制，信号在频谱上的能量主要集中在各个谐波分量的频点上，信号频谱分量的重复频率高，这样就会产生严重的EMI问题。

发明内容

本发明的实施例提供一种扩频调制电路、可变频率三角波发生器以及信号处理方法，用于降低现有电路中的电磁干扰。

为达到上述目的，本发明的实施例提供一种扩频调制电路，包括可变频率三角波发生器、第一比较器以及第二比较器，所述可变频率三角波发生器分别与所述第一比较器以及第二比较器连接；所述第一比较器以及第二比较器根据输入信号、以及所述可变频率三角波发生器输入的可变频率三角波信号，实现对脉冲宽度调制PWM的扩频。

本发明的实施例还提供一种可变频率三角波发生器，包括：扩频调制模块、逻辑电路模块、第一电流源、第二电流源、第一比较模块以及第二比较模块，其中：

所述扩频调制模块与所述第一电流源之间存在第一开关，所述扩频调制模块与所述第二电流源之间存在第二开关；所述扩频调制模块的电压输出分别连接到所述第一比较模块以及第二比较模块的输入端；所述第一比较模块以及第二比较模块的输出端连接所述逻辑电路模块；所述逻辑电路模块控制所述第一开关以及第二开关，通过控制所述第一开关以及第二开关的状态，使得所述第一电流源、第二电流源分别对所述扩频调制模块中的至少一个电容器进行充电或放电，产生频率可变的三角波信号。。

本发明的实施例还提供一种扩频调制电路中的信号处理方法，包括：

产生至少一个可变频率三角波信号；

将所述可变频率三角波信号分别输入到第一比较器以及第二比较器；使得所述第一比较器以及第二比较器根据输入信号、以及所述可变频率三角波信号，实现对脉冲宽度调制PWM的扩频。

本发明的实施例还提供一种可变频率三角波的发生方法，应用于包括扩频调制模块、逻辑电路模块、第一电流源、第二电流源、第一比较模块以及第二比较模块的电路中，所述扩频调制模块与所述第一电流源之间存在第一开关，所述扩频调制模块与所述第二电流源之间存在第二开关；所述方法包括：

将扩频调制模块的电压输出分别发送到所述第一比较模块以及第二比较模块的输入端；

将所述第一比较模块以及第二比较模块的输出发送到所述逻辑电路模块；

通过所述逻辑电路模块控制所述第一开关以及第二开关的状态，使得所述第一电流源、第二电流源分别对所述扩频调制模块中的多个电容器进行充电和放电，产生频率可变的三角波。

与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点：

本发明的实施例提供了一种扩频调制电路，通过随机信号控制电容的变化以产生一个频率变化的三角波电路，进而实现了扩频调制电路，结构实现简单，使得高频分量类似于白噪声的分布，有效减少现有电路中的电磁干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中PWM调制器的示意图；

图2是现有技术中三角波发生器的示意图；

图3是本发明实施例中可变频率三角波发生器的结构示意图；

图4A和图4B是本发明实施例中扩频调制电路的结构示意图；

图5A和图5B是本发明实施例中随机信号控制n个电容实现扩频调制电路的示意图；

图6A和图6B是本发明实施例中用在DC-DC电源管理中扩频调制电路的示意图；

图7A是本发明实施例中未采用扩频方案时的效果示意图；

图7B是本发明实施例中采用图4结构的PWM调制方式时的效果示意图；

图8是本发明实施例中扩频调制电路中的信号处理方法的流程图；

图9是本发明实施例中可变频率三角波的发生方法的效果流程图。

具体实施方式

本发明的实施例还提供一种扩频调制电路，包括可变频率三角波发生器、第一比较器以及第二比较器，所述可变频率三角波发生器分别与所述第一比较器以及第二比较器连接；所述第一比较器以及第二比较器根据输入信号、以及所述可变频率三角波发生器输入的可变频率三角波信号，实现对脉冲宽度调制PWM的扩频。

其中，所述第一比较器以及第二比较器根据输入信号、以及所述可变频率三角波发生器输入的可变频率三角波信号，实现对脉冲宽度调制PWM的扩频包括：

所述第一比较器以及第二比较器分别将输入信号与所述可变频率三角波发生器输入的可变频率三角波信号进行比较，生成PWM信号，所述PMW信号的占空比正比于所述输入信号的幅度，实现了对所述PWM的扩频。

其中，所述可变频率三角波发生器具体包括：扩频调制模块、逻辑电路模块、第一电流源、第二电流源、第一比较模块以及第二比较模块，其中：

所述扩频调制模块与所述第一电流源之间存在第一开关，所述扩频调制模块与所述第二电流源之间存在第二开关；所述扩频调制模块的电压输出分别连接到所述第一比较模块以及第二比较模块的输入端；所述第一比较模块以及第二比较模块的输出端连接所述逻辑电路模块；所述逻辑电路模块控制所述第一开关以及第二开关，通过控制所述第一开关以及第二开关的状态，使得所述第一电流源、第二电流源分别对所述扩频调制模块中的至少一个电容器进行充电或放电，产生频率可变的三角波信号。

其中，所述扩频调制模块中具体包括：随机信号发生器、至少一个第一电容以及一个第二电容，所述随机信号发生器用于控制所述扩频调制模块中电容的变化。

本发明额实施例还个年个一种可变频率三角波发生器，包括：扩频调制模块、逻辑电路模块、第一电流源、第二电流源、第一比较模块以及第二比较模块，其中：

所述扩频调制模块与所述第一电流源之间存在第一开关，所述扩频调制模块与所述第二电流源之间存在第二开关；所述扩频调制模块的电压输出分别连接到所述第一比较模块以及第二比较模块的输入端；所述第一比较模块以及第二比较模块的输出端连接所述逻辑电路模块；所述逻辑电路模块控制所述第一开关以及第二开关，通过控制所述第一开关以及第二开关的状态，使得所述第一电流源、第二电流源分别对所述扩频调制模块中的至少一个电容器进行充电或放电，产生频率可变的三角波信号。

其中，所述扩频调制模块中具体包括：随机信号发生器、至少一个第一电容以及一个第二电容，所述随机信号发生器用于控制所述扩频调制模块中电容的变化。

本发明的实施例中，通过随机信号控制电容的变化以产生一个频率变化的三角波电路，进而实现了扩频调制电路，结构实现简单，使得高频分量类似于白噪声的分布，有效减少现有电路中的电磁干扰。

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明的实施例提供一种可变频率三角波发生器，用于产生一频率可变的三角波，其结构如图3所示，包括：扩频调制模块10、逻辑电路模块20、第一电流源I_source30、第二电流源I_sink 40、第一比较模块70以及第二比较模块80，其中：扩频调制模块10与第一电流源30之间存在第一开关SW_source50，扩频调制模块10与第二电流源40之间存在第二开关SW_sink60；扩频调制模块10的电压输出分别连接到第一比较模块70以及第二比较模块80的输入端；第一比较模块70的另一输入端与参考电压Vref+连接，第二比较模块80的另一输入端与参考电压Vref-连接。

第一比较模块70以及第二比较模块80的输出端连接逻辑电路模块20；逻辑电路模块20控制第一开关50以及第二开关60，通过控制第一开关50以及第二开关60的状态，使得第一电流源30、第二电流源40分别对扩频调制模块10中的多个电容器进行充电和放电，产生频率可变的三角波。

具体的，扩频调制模块10中具体包括：随机信号发生器11、至少一个第一电容C_ramp 12以及一个第二电容C_x13，随机信号发生器11用于控制扩频调制模块10中电容的变化。该扩频调制模块10通过随机信号(Random Signal)控制电容的变化以产生一个频率变化的三角波，电路实现简单，实现了SSM(Spread Spectrum Mode，扩频模式)功能，产生带有扩频性能的三角波，即通过改变三角波的频率来实现扩频，降低电路EMI。图3中的随机信号发生器11是由D触发器组成的随机信号发生器，可以改变电容的大小，来实现频率的改变。

为了对该电路的性能进行更详细的分析说明，现定义以下扩频RAMP参数：扩展率、扩频类型、调制率和调制波形。扩展率是频率抖动(或扩展)范围与原RAMP频率(f_C)的比值。扩频类型指向下扩频、中心扩频或向上扩频。假设扩频范围为Δf，则扩展率δ定义为：

向下扩频：$\delta =-\frac{\mathrm{\Delta f}}{f_C}\times 100\%---\left(1\right)$

中心扩频：$\delta =\pm \frac{\mathrm{\Delta f}}{{2f}_C}\times 100\%---\left(2\right)$

向上扩频：$\delta =\frac{\mathrm{\Delta f}}{f_C}\times 100\%---\left(3\right)$

调制率f_m，用于确定RAMP频率扩展周期率，在该周期内RAMP频率变化Δf并返回到初始频率。调制波形代表RAMP频率随时间的变化曲线，通常为锯齿波。

为了得到EMI抑制与扩频RAMP参数之间的关系，需要首先计算扩频RAMP的频谱。根据上述定义，信号频谱是与频率相关的功率密度。为了简化分析，只考虑RAMP信号的基本谐波。

对于未经扩频的RAMP，可以表示为：Asin2πf_Ct    (4)

对于扩频的RAMP，可以表示为：Asin2π(f_C+ω(t))t    (5)

式(5)中，ω(t)是调制波形。对于未经扩频的RAMP频谱，其是位于f_C的一条谱线，幅度为由于该频谱只是一条谱线，其幅度与频谱分析仪的分辨率带宽B无关。对于扩频的RAMP的频谱幅度，其取决于分辨率带宽B。由于扩频RAMP的功率在Δf频带内分布相当均匀，利用分辨率带宽为B的频谱分析仪测试得到的功率近似为：这样，可以得到EMI抑制率S(dB)为：

$S=10\log \left(\frac{1}{2}{A}^2\right)\left(\frac{1}{2}{A}^2\frac{B}{\mathrm{\Delta f}}\right)=10\log \frac{\mathrm{\Delta f}}{B}---\left(6\right)$

结合上述扩频RAMP参数：扩展率δ、RAMP频率f_C和调制类型，可以用下列方法计算S：

向下或向上扩频：$S=10\log \frac{\left|\delta \right|\times f_C}{B}---\left(7\right)$

中心扩频$S=10\log \frac{2\left|\delta \right|\times f_C}{B}---\left(8\right)$

需要注意的是，当f_SW＜＜f_m＜＜f_C时，EMI抑制率S与调制率f_m无关，其中，f_SW是频谱分析仪的扫描速率。假设δ和f_C分别为15％和1MHz，分辨率带宽为10kHz，扫描频率为10Hz，根据公式(8)采用中心扩频的方式来计算EMI抑制率：

$S=10\log \frac{2\times 0.15\times 1\mathrm{MHz}}{10\mathrm{kHz}}=14.77\mathrm{dB}.$

通常，在估算峰值之间的EMI抑制时，由于扩频频谱的波动，由式(6)得到的结果可能会高出1dB到2dB。对于峰值和平均EMI抑制，计算值非常接近测量值。利用EMI抑制的简单计算公式，可以根据所希望的EMI抑制率、RAMP频率以及电磁兼容性所要求的分辨率带宽得到扩展率。

本发明的实施例是采用中心扩频的方式，扩频调制模式下，其周期的逐周期变化可降低基波频率下(f₀±(10％～20％))的频谱能量，同时扩展特定带宽(nf₀±(10％～20％)％，n为正整数)内的谐波分量。这时大量的频谱能量并不是集中在开关频率的各倍频处，而是在一个随频率而增加的带宽内展宽。频率超过数兆赫兹后，宽带频谱看起来就像是白噪声，从而达到降低EMI之目的。能量包含在较宽的频带内，峰值能量也得以降低。

本发明的实施例中提供一种扩频调制电路。如图4A和4B所示，使用图4B所示本发明实施例中的可变频率三角波发生电路代替图4A中现有的Ramp(三角波发生器)。包括：变频率三角波发生电路100、第一比较器200以及第二比较器300，可变频率三角波发生器100分别与第一比较器200以及第二比较器300连接，第一比较器200以及第二比较器300根据输入信号、以及可变频率三角波发生器100输入的可变频率三角波，实现对脉冲宽度调制PWM的扩频。在本实施例中，图4B所示的带扩频的PWM调制电路采用变频率三角波发生电路，将输入音频信号与以可变载波频率工作的三角波或斜波进行比较，这在载波频率条件下产生一串脉冲。在每个载波周期内，PWM脉冲的占空比正比于音频信号的幅度。这样可以解决了EMI问题，且电路实现简单。该变频率三角波发生电路的详细结构请参考上述图3中的描述，在此不做重复描述。

本发明的实施例中还提供一种扩频调制电路。如图5A和5B所示，使用图5B所示本发明实施例中的可变频率三角波发生电路代替图5A中现有的Ramp(三角波发生器)。在本实施例中，用随机信号控制多个电容，这样带扩频的PWM调制电路是采用可变频率的三角波发生器，这样可以很有效地解决了EMI问题，且电路实现简单。该变频率三角波发生电路的详细结构请参考上述图3中的描述，区别只在于使用了用随机信号控制多个电容，在此不做重复描述。

在电源管理芯片中，通过三角波产生器和比较器进行PWM调制，同样存在EMI问题。本发明的实施例中还提供在DC-DC电源管理中应用PWM扩频调制的方法。如图6A和6B所示，使用图6B所示本发明实施例中的变频率三角波发生电路代替图6A中现有技术中Ramp的三角波发生器，可以有效地降低EMI问题，改善了DC-DC电路的整体性能。该变频率三角波发生电路的详细结构请参考上述图3中的描述，在此不做重复描述。

使用本发明实施例提供的扩频调制电路时，与现有技术进行的EMI比较示意图如图7A和图7B所示。其中，图7A为未采用扩频方案的效果，图7B为采用图4A所示结构的PWM调制方式的效果。δ和f_C分别为15％和1MHz，分辨率带宽为10kHz，扫描频率为10Hz，采用中心扩频的方式来计算EMI抑制率：$S=10\log \frac{2\times 0.15\times 1\mathrm{MHz}}{10\mathrm{kHz}}=14.77\mathrm{dB}.$如图7B所示，对于本发明实施例中的扩频调制电路，通常用30MHz以上频率来衡量EMI问题，下降了15dB，因此图7B比图7A相比，有效地明显降低了EMI的问题，减少了整个系统的成本。通常，在估算峰值之间的EMI抑制时，由于扩频频谱的波动，由式(1)计算出的结果可能会高出1dB到2dB。对于峰值和平均EMI抑制，计算值非常接近测量值。采用本发明，其周期的逐周期变化可降低基波频率下(f₀±(10％～20％))的频谱能量，同时扩展特定带宽(nf₀±(10％～20％)，n为正整数)内的谐波分量。这时大量的频谱能量并不是集中在开关频率的各倍频处，而是在一个随频率而增加的带宽内展宽。频率超过数兆赫兹后，宽带频谱看起来就像是白噪声，从而达到降低EMI的目的。

本发明的实施例还提供一种扩频调制电路中的信号处理方法，包括：

步骤800：产生至少一个可变频率三角波信号；

步骤801：将所述可变频率三角波信号分别输入到第一比较器以及第二比较器；使得所述第一比较器以及第二比较器根据输入信号、以及所述可变频率三角波信号，实现对脉冲宽度调制PWM的扩频。

其中，所述第一比较器以及第二比较器根据输入信号、以及所述可变频率三角波信号，实现对脉冲宽度调制PWM的扩频包括：

所述第一比较器以及第二比较器分别将输入信号与所述可变频率三角波发生器输入的可变频率三角波信号进行比较，生成PWM信号，所述PMW信号的占空比正比于所述输入信号的幅度，实现了对所述PWM的扩频。

其中，所述产生至少一个可变频率三角波信号的步骤由可变频率三角波发生器实施，所述可变频率三角波发生器具体包括：扩频调制模块、逻辑电路模块、第一电流源、第二电流源、第一比较模块以及第二比较模块，所述扩频调制模块与所述第一电流源之间存在第一开关，所述扩频调制模块与所述第二电流源之间存在第二开关；

所述产生至少一个可变频率三角波信号包括：

将扩频调制模块的电压输出分别发送到所述第一比较模块以及第二比较模块的输入端；

将所述第一比较模块以及第二比较模块的输出发送所述逻辑电路模块；

通过所述逻辑电路模块控制所述第一开关以及第二开关的状态，使得所述第一电流源、第二电流源分别对所述扩频调制模块中的多个电容器进行充电和放电，产生频率可变的三角波。

其中，所述扩频调制模块中具体包括：随机信号发生器、至少一个第一电容以及一个第二电容，所述扩频调制模块的电压输出包括：

通过所述随机信号发生器控制所述扩频调制模块中电容的变化，得到变化的电压输出。

本发明的实施例还提供一种可变频率三角波的发生方法，应用于包括扩频调制模块、逻辑电路模块、第一电流源、第二电流源、第一比较模块以及第二比较模块的电路中，所述扩频调制模块与所述第一电流源之间存在第一开关，所述扩频调制模块与所述第二电流源之间存在第二开关；所述方法包括：

步骤900：将扩频调制模块的电压输出分别发送到所述第一比较模块以及第二比较模块的输入端；

步骤901：将所述第一比较模块以及第二比较模块的输出发送到所述逻辑电路模块；

步骤902：通过所述逻辑电路模块控制所述第一开关以及第二开关的状态，使得所述第一电流源、第二电流源分别对所述扩频调制模块中的多个电容器进行充电和放电，产生频率可变的三角波。

其中，所述扩频调制模块中具体包括：随机信号发生器、至少一个第一电容以及一个第二电容，通过所述随机信号发生器控制所述扩频调制模块中电容的变化，得到变化的电压输出。

通过使用本发明的实施例，使用随机信号控制电容的变化以产生一个频率变化的三角波电路，实现了扩频调制电路，结构实现简单，使得高频分量类似于白噪声的分布，有效减少了EMI问题；另外扩频调制电路的输出可以直接通过扬声器的寄生电感来滤波，不需要外加电感电容来滤波，大大减少了系统成本。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。