用于开关式电源的噪声处理技术的利记博彩app

专利名称：用于开关式电源的噪声处理技术的利记博彩app
相关申请的交叉引用本申请涉及美国专利申请号08/956,947，由Ronald D.Boesch和Christopher Koszarsky在1998年10月23日提交，1999年4月29日公开，公开号为WO9921282。
背景技术：
本发明总体上涉及使用开关式电源的电子设备。更具体而言，本发明涉及用于开关式电压馈送的噪声管理技术。
近年来，诸如蜂窝无线电话的电池供电电子设备趋于使用多个工作电压。为满足降低成本、半导体加工改良、物理尺寸限制和功耗限制的需要，现代数字逻辑电路使用更低的工作电压。结果是，三到五年前工作电压为5V或更高的电路目前必须工作在低于2V的电压。甚而，当前进入市场的数字逻辑电路需要1.8V工作电压，下一代将低至1.5V。
与这种电源电压变低的趋势一致，在电子设备中使用的电池组的标称电压也趋于下降。前一代蜂窝电话使用标称电压为6.5V的5单元电池组。在将来的产品中，预期1到3单元电池组标称电压为3.6V。
但是，在许多电子设备中，一些功能模块使用低电压难以实现，需要的工作环境与电池和电源电压更低的趋势背道而驰。例如，在蜂窝电话中，象功率放大器和合成器这样的功能模块仍然需要一个相对高的电源电压，如5V。对数字逻辑电路而言，电源转换和供电可能需要将3.6V标称电池电压下降到所要求的1.5V。因此，这些电子设备中包含一个直流-直流变换器，其唯一目的是为这些功能模块以一种节省功率的方式提供升高或降低的电压。除了感应开关转换器以外，这种直流-直流变换器还包括电容电荷泵。


图1是现有技术中使用开关式电源的电子设备100的框图。电子设备100包括电池102，开关激励源104，直流-直流变换器106和工作电路，工作电路在图1的实施方案中指收发器电路108。在如图所示的实施方案中，电子设备100构成象蜂窝或个人通信系统(PCS)电话之类的无线电话的一部分。
电池102是逐渐消耗的能量源，可以再充电，并提供基本稳定的预定电压值，例如3.6V的输出电压。开关激励源104提供一个开关信号，例如以预定频率产生的方波，在图1中标识为Fswitch。直流-直流变换器106接收来自电池102的电池电压和开关激励源104的开关信号，并产生输出电压，在图1中标识为Voutput。此输出电压可以从电池的电压值逐步提高或降低。输出电压提供给收发器电路108，作为收发信机电路108的工作电压。直流-直流变换器106可以产生除Voutput之外的其它输出电压。
用于开关式电源的直流-直流变换器实现是有效的，但存在一些缺点。最显著的缺点是由直流-直流变换器开关操作而产生的噪声量。由直流-直流变换器106所产生的频谱噪声很显然位于开关频率及其谐波频率处。因此，在如图1的实施方案中，由开关式电压馈送产生的噪声如方程式1。
Fnoise＝m.Fswitch(1)在方程式(1)中，m是任意整数，Fswitch是开关激励源104应用于直流-直流变换器106的频率。在频率域，此噪声频谱示于图2。在图2中，可以看出噪声频谱在相应于噪声信号谐波频率处包含许多尖峰信号。对每个整数m产生一个谐波，每个谐波之间频率间隔为Fswitch。
图2所示的开关噪声将影响内含开关式电压馈送的任何电子设备。然而，开关噪声的影响在象蜂窝电话这样的电子设备中更为明显，其中高灵敏度的接收机电路必须工作在与开关式电压馈送相同的环境中。例如，在一种应用中，蜂窝电话中使用开关频率Fswitch为540kHz的开关式电压馈送。便携式电话在接收频带为869.04MHz到893.97MHz，频道间隔为30kHz的无线电话系统中工作。电源将产生如方程式(2)的噪声分量。
Fnoise＝m.540kHz (2)可是，对于1610到1655之间的m值，开关噪声的频谱分量落在接收频带中，可能干扰接收器的总体运行。同样，便携式电话工作于与接收频带不同的发送频带时，与方程式(2)中预定的m值对应的某些谐波可能导致发送机中的乱真信号响应。
此外，本地产生的开关激励源通常不能控制，而且在蜂窝电话的工作和环境条件下很可能有所变化。在某些情形下，能够变化多达+/-5％。这意味着图1所示电子设备100中发生噪声的更精确定义示于方程式(3)。
Fnoise＝m.{540-5％，540+5％}(3)在以前的电子设备中，由开关式电源产生的开关噪声已经通过去耦工作电路从噪声信号中抑制。例如，在印刷电路板上加入电容以旁路对地电位的感应噪声信号。对于无线电噪声信号，在无线电话的接收器和送话器部分周围加入了金属屏蔽。
这些先前技术仅成功地降低了噪声，并不能消除噪声。此外还加大了如无线电话之类的含开关式电源电子设备的尺寸和开销，并不能保证解决问题。金属屏蔽，电容和其它部件都需要在印刷电路板上占据位置并较大地增加了成品的成本。因此，需要一种调节使用开关式电源的电子设备中的噪声的改进的方法和装置。
发明概述根据本发明，一种用于调节电子设备中噪声的方法和装置包含控制，而不只是抑制设备中的噪声。尤其是以一个或多个噪声频率产生的噪声信号从所关心频带中移出。这通过将噪声信号的频率移动到所关心频带外的一个或多个频率处。从而在无线电话中，所产生噪声信号的频率移到无线电话指定接收频带或发送频带的上方或下方。此外，基本上噪声信号的所有谐波也被移出，以确保所关心频带内的噪声最小。
对优选实施方案的前述讨论仅作为介绍给出。在这一部分对后述定义本发明范围的权利要求绝无限制。
附图简述图1是现有技术中使用开关式电源的电子设备框图；图2示出一个开关式电源的噪声频谱；图3是在无线电话系统中工作的无线电话的框图；图4是图3中无线电话一部分的框图，且图5是图3中无线电话一部分的第二种实施方案的框图。
图3是一个无线电话系统300的框图，该无线电话系统包括一个移动台或无线电话302和一个基站304。图示实施方案中的基站304是系统300中为与基站304周围确定区域内的象无线电话300这样的移动台进行无线通信而配置的大量基站之一。这种系统的例子除了有固定和干线无线系统外，还包括蜂窝和个人通信系统。一个特定的例子是遵从J-STD-009，基于移动台最小性能1900MHz标准PCS IS-136和J-STD-010，PCS IS-136基站最小性能1900MHz标准(“IS-136”)的北美数字蜂窝业务。基站304与无线电话302进行无线电频率(RF)信号的通信，以与无线电话302传送典型的是语音和其它数据的通信数据。
无线电话302包括天线306，收发器电路308，控制器310，存储器312，时钟电路314，电源控制电路316和用户接口318。收发器电路308包括接收器320，发射器322，合成器324和振荡器326。为接收来自基站304的无线电频率信号，在天线306检测该信号并在接收器320中通过对收到的信号进行解调制以转换成数字数据。数字数据送到控制器310用于进一步处理。为了将语音和其它数据从无线电话302传输到基站304，从控制器310传送数据到发射器322。发射器用由合成器324提供的载波信号进行调制。已调制载波送至天线306，用于将无线电信号传输至基站304。
前述的合成器为接收器320和发射器322提供一个载波信号，用于无线电信号的调制和解调。通过改变此载波信号的频率，接收器320和发射器322可以调谐到系统300中所需要的不同信道。合成器324可以以任何传统的方式进行配置，例如，使用一个锁相环(PLL)。振荡器326优选采用温度补偿晶体振荡器(TXCO)，在包括湿度和老化在内的所有环境及工作条件下稳定度在+/-2.5ppm内。可以用任何其它高稳定度的开关信号源代替。
控制器310控制无线电话302的操作。控制器310的优选实施是采用微控制器、微处理器或其它数字逻辑装置。如此，控制器310结合存储器312中存储的数据和指令操作。无线电话内操作的定时根据时钟电路314提供的时钟信号来控制。电源控制电路316优选包括电池或其它消耗能量的存储装置，直流-直流变换器和其它相关电路，构成一个开关式电源。电源控制电路316提供无线电话302其它电路所需的工作电压。对于数字逻辑电路，例如控制器310，工作电压可能大约为，例如1.5或1.8V。对于其它电路，例如收发器电路308，工作电压可能为5V或更高。用户接口318提供无线电话302的用户控制。在一种实施方案中，用户接口318包括键盘、显示器、麦克风和扬声器。
图4是一个根据本实施方案，在图3的无线电话300中一部分400的框图。在图4中，无线电话的一部分400包括收发器电路308、电池402、直流-直流变换器404和温度补偿晶体振荡器(TCXO)406。正如前面有关图3的部分所述，收发器电路308提供与远地无线电设备，例如一个蜂窝或PCS无线电话系统的基站的无线电频率通信。电池402为无线电话的一部分400和无线电话300的其它电路提供工作电压。
电池402在输出410提供电池电压。直流-直流变换器404根据电池电压和从TCXO406接收的开关信号，提供至少一个标识为Voutput的输出电压。TCXO406优选为在输出412提供开关信号的振荡器，开关信号在多种工作环境下保持非常稳定的频率。例如，在所有的环境和工作条件，包括工作电压、温度、湿度和老化，TCXO输出信号最好稳定在+/-2.5ppm内。一种实施方案中，依照IS-136数字无线电话标准的无线电话302在工作时，TCXO406使用19.44MHz+/-2.5ppm的基准频率。
因此，在本发明的一种实施方案中，由振荡器406提供的开关信号既用作直流-直流变换器404的开关激励源，也提供振荡信号供收发器电路308使用。收发器电路308用振荡器信号对射频信号进行调制和解调。收发器308可能包括合成器或其它电路用于信道选择。直流-直流变换器对开关信号响应，形成一个开关式电源，为无线电话300的电路提供工作电压。TCXO406构成开关激励源，提供包括振荡信号和开关信号的高稳定输出信号。一个或多个移频电路可能加在振荡器信号或开关信号的通路上，以根据接收这些信号的电路的需要改变其频率。
TCXO的使用有益地提高了提供给直流-直流变换器的开关激励源的稳定度，从而提高了提供给直流-直流变换器404的开关信号的开关频率(Fswitch)的可预测性。这减少了由开关信号产生噪声的带宽。进而，这允许在传统开关式电源中使用的振荡器可被去除。
为提高图4电路的可用性，可以如图5中所示作出改变。图5是图3中无线电话302一部分500的框图。与图4中示出的实施方案类似，无线电话的一部分500包括收发器电路308、电池402、直流-直流变换器404和TCXO406。此外，无线电话的一部分500还包括移频电路502。电池402形成一个直流(DC)电源，为无线电话的一部分500和无线电话302的其它电路供电。TCXO406构成开关激励源，在输出412提供开关信号。此开关信号除了供给收发器电路308外，还提供给移频电路502。在图中没有示出所有连接，这样不致令图示过于复杂。开关信号的频率是Fswitch。直流-直流变换器404产生输出直流电压，标识为Voutput。收发器电路308对输出的直流电压响应，形成工作电路以处理具有所关心频带内一个信号频率的信号。
在图示实施方案中，移频电路502包括乘法器504和除法器506。乘法器504作用是提高从TCXO406接收的开关电路频率。除法器506作用是下除或降低提供给直流-直流变换器404的信号频率。优选地，乘法器504和除法器506都是可编程的。也即，乘数(A)可以存储在乘法器504中，以控制由乘法器504实现的相乘值。类似地，除数(B)可以存储在除法器506中，以控制由除法器506实现的频率相除值。为此目的，移频电路包括控制输入510，用于接收时钟信号、可编程数据值和选通脉冲信号。优选地，这些同样的信号也用来为收发器电路308提供可编程数据。在下面会讨论到，当数据存储在收发器电路用于控制收发器电路308调谐到的信道时，数据同样也可以存储在移频电路502，用于控制由乘法器504和除法器506实现的频率移动。
乘法器504和除法器506有两个优点。除法器506降低提供给直流-直流变换器404的开关激励源频率。这允许直流-直流变换器的设计可以遵循传统。如前所述，传统的直流-直流变换器需要一个通常频率小于1MHz的开关激励源。因此，在图示实施方案中由TCXO406提供的19.44MHz平稳基准源可以用于直流-直流变换器404，从而保持平稳信号所带来的好处。第二点，乘法器504和除法器506的组合提供控制参数，控制提供给直流-直流变换器404的开关信号所产生的有害噪声的频率。开关噪声如方程式4所述。
Fnoise＝(A/B).m.Fswitch(4)因此，如果存在满足方程式5的整数A和B，Fnoise≠(Frx) (5)随后由开关式电源产生的噪声可以有效地移出频谱区域，这样就不会影响收发器电路308的灵敏度。
因此，可以选择A和B的值使噪声信号的一个或多个频率移出至所关心频带以外的一个或多个移动频率。对如图所示实施方案中的收发器电路308和无线电话302，所关心频带包括由无线电话系统规定的接收频带和发送频带。例如，美国的蜂窝电话接收频带为869.04MHz到893.97MHz，信道间隔为30kHz。在噪声信号已经被移出指定的所关心频带后，可以处理所关心频带内的信号。在此例中，所关心的频道由无线电话系统定义。收发器电路308可以随后接收或发送无线电信号，相对不受由无线电话302中开关式电源产生噪声的影响。在处理完信号后，频率移动可以改变或去除，这样噪声信号返回到原先噪声频率。噪声频率的这种移动可以对逐个信道进行。A和/或B的新值可以根据每个新的信道分配被载入。因此，提供给直流-直流变换器404的开关频率随信道选择而变化。
在进一步改进中，可以选择A和B的值以使所需要的接收机频率周围的频率防护带G不被由开关式电源产生的噪声占据。在这种情况下，控制方程为Fnoise≠(Frx±G/2) (6)象IS-136这样的窄带蜂窝系统中保守的接收机噪声防护带大约为+/-8频道或480kHz。可以选择其它防护带值，也可以选择可变的防护带值。
可以选择任意合适的A和B值来分别控制乘法器504和除法器506。在绝大多数系统中，A在任何情况下都不能等于1。当被保护的防护带(Frx±G/2)包括基准时钟的谐波时，开关频率Fswitch不能从基准时钟频率整除得到，例如在图中的19.44MHz。在前述的蜂窝无线系统中，19.44MHz的45次谐波落在874.8MHz的接收频带(相应于信道160)中。19.44MHz通过整除得到的任何开关频率将同样产生874.8MHz处的谐波。
目标是将噪声保持在接收频率Frx(也即所关心频带)周围防护带的外面。即Fnoise＝(A/B).m.Fref≠(Frx±G/2)假设A＝1(即在基准时钟和开关激励源之间没有乘法器)。此外，假定接收频率是基准频率的谐波(整数倍)。于是
Frx＝n.Fref代到前一个方程中，(1/B).m.Fref≠(Fref±G/2n)或m≠nB.(1±G/(2n.Fref) (7)可是，由于n和B是整数，则nB是一个整数且违反了最后方程。但是，如果A不等于1，则m≠nB.(1±G/(2n.Fref))(8)可以选择n，B和A的值以保证nB/A是一个非整数。在本例中，n等于45。由于此数是奇数，将B设置为奇数保证分子为奇数。将A设置为2保证nB/A为分数。将A设置为3将无法工作，在本例中，nB/A等于45B/3＝15B，将是个整数。
防护带带宽值G决定开关激励源的最小频率。对于开关频率Fswitch＜G，谐波噪声不能保持在防护带外。
Fnoise＝m.Fswitch≠(Frx±G/2) (9)m≠(Frx/Fswitch±G/(2.Fswitch))如果Fswitch小于G，则+/-G/(2Fswitch)大于0.5。这保证上述方程右式包含一个整数值。
在选择乘法器和除法器的值及频率值时，开关频率Fswitch和A的更大值允许更一致的开关操作(即开关激励源频率的更小变化)。如方程(10)所示，开关频率Fswitch(也是噪声的基本频率)等于基准频率Fref乘以A再除以B。
Fswitch＝(A/B).FrefFnoise＝m.Fswitch＝(A/B).m.Fref≠(Frx±G/2) 对于m≠(B.Frx/(A.Fred))±B.G/(2A.Fref)＝Frx/Fswitch±G/(2Fswitch) (10)对最后的方程作一些规定和考察。第一，如果Frx/Fswitch选择为整数值之间时防护带G为最大。也就是说，如果2.(Frx/Fswitch)是一个奇数，在违反方程(10)的不等性之前，G/(2Fswitch)可能达到0.5。例如，考虑Frx/Fswitch＝1,124.1，防护带G/(2A.Fswitch)＜0.1。如果Frx/Fswitch＝1,124.5，防护带G/(2.Fswitch)＜0.5，对于同样的系统参数G可以以因数5倍增加。但是，如果Frx/Fswitch＝1,124.9，则防护带G/(2Fswitch)＜0.1。
第二，提高Fswitch使防护带也以同样的比例增加。例如，使Frx＝875.7MHz，Fswitch＝500kHz。则Frx/Fswitch＝1751.4且G/(2.500kHz)＜0.4。为实现不等式，G＜400kHz。Fswitch增加到1MHz，将不等式改变为G/(2.1MHz)＜0.4。实现此新的不等式导致G＜800kHz。
第三，防护带G的大小决定了开关激励源的最小频率。如果G＞Fswitch，则G/(2.Fswitch)＞0.5。无论Frx和Fswitch如何违反方程式10的不等性，这保证了带宽±G/(2Fswitch)等于整数。
第四，A值更大可提供在调整开关频率时更细的分辨率。例如如果A＝2，Fswitch＝Fref，2. Fref/3，Fref/2，…对B＝[2，3，4，……]如果A＝4，Fswitch＝Fref，4. Fref/5，2. Fref/3，4. Fref/7，Fref/2，…对B＝[4，5，6，7，8…]如前所述，可以看到本实施方案对于调节电子设备中使用开关式电压馈送时的噪声问题提供了一种改进的方法和装置。不只是抑制噪声，实际通过将噪声频率移出所关心频带来对噪声进行管理。当移频进行时，在所关心频带中进行进一步的信号处理不会受到噪声引起的干扰。在这种方式下，以前所使用的试图抑制噪声的昂贵且效果甚微的大部件可以从电子设备的设计中去除。用相对简单的乘法器和除法器将噪声频率移动来替换这些部件。
虽然本发明的特定实施方案已经表明并描述，但也可以对其进行修改。例如，在移频电路可以用任何适合的数字逻辑电路或模拟电路，例如混合器来取代分开的乘法器M除法器电路，用于调整噪声信号的频率。在随后的权利要求中已包括这些改变和修改，这些都在发明的实质精神和范围内。
权利要求
1.一种噪声管理方法，包括在一个或多个噪声频率处产生噪声信号；且将噪声信号移出所关心频带。
2.如权利要求1的噪声处理方法，其中移出噪声信号包括将噪声信号的一个或多个频率移至所关心频带外的一个或多个被移动的频率。
3.如权利要求1的噪声处理方法，还包括在移出噪声信号后，处理所关心频带内的信号；并且随后将噪声信号返回一个或多个噪声频率。
4.如权利要求1的噪声处理方法，还包括产生开关信号；根据开关信号和基准电压，产生输出电压；移出噪声信号后，根据输出电压处理所关心频带中的信号；并且
5.一种噪声管理方法包括处理所关心频带内的信号；且当处理信号时，将噪声信号移至所关心频带外的一个或多个频率。
6.如权利要求5的噪声管理方法，还包括产生开关信号时附属产生噪声信号，并且根据开关信号和基准电压产生输出电压。
7.一种电子装置包括一个直流(DC)电源；一个开关激励源被配置以产生一个或多个噪声频率处的开关信号；与开关激励源连接的移频电路被配置到所关心频带外的开关信号的一个或多个噪声频率；一个与直流电源和移频电路相连的直流-直流变换器，被配置以产生一个输出直流电压；且根据输出直流电压进行工作的工作电路，用于处理具有所关心频带内的一个信号频率的信号。
8.如权利要求7的电子装置，其中开关激励源包括振荡器电路。
9.如权利要求8的电子装置，其中开关激励源包括温度补偿晶体振荡器。
10.如权利要求7的电子装置，其中移频电路包括一个频率乘法器。
11.如权利要求10的电子装置，其中移频电路还包括一个分频器。
12.如权利要求11的电子装置，其中频率乘法器和频率除法器中的至少一个可被编程，用于选择一个或多个已选定频率。
13.如权利要求7的电子装置，还包括一个控制电路，用于根据信号频率选择一个或多个已选定频率。
14.一种无线电话包括电池；晶体振荡器；连接到晶体振荡器的移频电路，并产生开关信号，其具有所关心频带外的所选频率；连接到电池和移频电路的电压变换器，产生工作电压；且根据工作电压工作的收发器电路，在所关心频带内传送无线电频率(RF)信号。
15.如权利要求14的无线电话还包括连接到收发器的合成器，产生用于收发器电路中信道选择的本地振荡器信号，连接到合成器的移频电路根据开关信号产生本地振荡器信号。
16.一种无线电设备包括对振荡器信号响应的收发器电路，用于调制和解调RF信号；对开关信号响应的开关式电源，提供无线电话电路的工作电源；以及开关激励源，提供一个或多个高稳定度输出信号，包括振荡器信号和开关信号。
17.如权利要求16的无线电设备，其中开关激励源包括一个温度补偿晶体振荡器。
18.如权利要求16的无线电设备还包括移频电路，用于调整振荡器信号和开关信号的至少一个的频率。
全文摘要
一种用于使用开关式电压馈送的电子设备中的噪声管理的方法和装置包括以一个或多个噪声频率产生噪声信号,并在处理所关心频带内的信号时将噪声信号移出该频带。在一种实施方案中,用乘法器和除法器将一个平稳的基准频率移出无线电话的接收信号频带。这种移频是可编程的,并且由关于无线电话当前的接收信道控制。
文档编号H04B15/04GK1354910SQ00808575
公开日2002年6月19日 申请日期2000年12月27日 优先权日2000年2月8日
发明者C·科斯扎斯基, J·J·瓦卢卡斯 申请人:艾利森公司