擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
| 摘 要：介紹了多相擴(kuò)頻振蕩器LTC6902的原理，并將其應(yīng)用于開關(guān)電源中，以提高開關(guān)電源的EMC性能。 關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻調(diào)制 偽隨機(jī)二進(jìn)制序列 多相振蕩器 電磁干擾 開關(guān)電源自問世以來，以其體積小、損耗小、效率高（一般可達(dá)80%以上）等優(yōu)點(diǎn)，在電源領(lǐng)域得到了快速的 發(fā)展，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛，開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)成為電源領(lǐng)域中的主流技術(shù)。但應(yīng)用在通信、儀器儀表等設(shè)備 中時(shí)，開關(guān)電源的開關(guān)脈沖及其諧波與與寄生振蕩帶來的電磁干擾（EMI），使得系統(tǒng)中的某些性能或指標(biāo)有不同 程度的下降。如何減小開關(guān)電源對系統(tǒng)中其它設(shè)備及外界的電磁干擾，一直是電源設(shè)計(jì)中不可回避的問題。通常情 況下，根據(jù)傳播路徑的不同，開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾可以分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩大類，傳導(dǎo)干擾沿電源的輸 入、輸出線傳播；而輻射干擾屬于射頻干擾，以空間輻射為主。針對傳導(dǎo)干擾和輻射干擾的不同特點(diǎn)，抑制EMI的 傳統(tǒng)做法分別是采用濾波和屏蔽技術(shù)。只要設(shè)計(jì)合理，這兩種措施的效果是比較明顯的。但是，在有些場合中，卻 很難滿足設(shè)計(jì)要求。目前，又出現(xiàn)一種降低開關(guān)電源EMI的新技術(shù)*——擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)原本是應(yīng)用于 無線通信領(lǐng)域的一種新技術(shù)，但將其應(yīng)用于開關(guān)電源（或DC/DC轉(zhuǎn)換器）的設(shè)計(jì)中，能顯著地降低開關(guān)電源的EMI， 提高開關(guān)電源的電磁兼容（EMC）性能。 本文介紹美國凌特（Linear Technology）公司采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和偽隨機(jī)噪聲技術(shù)設(shè)計(jì)的多相擴(kuò)頻振蕩器 LTC6902的原理，并將其應(yīng)用于開關(guān)電源中，以提高開關(guān)電源的EMC性能。 圖1 1 LTC6902的性能特點(diǎn)及引腳功能 LTC6902是一款使用方便的低功耗、多相擴(kuò)頻振蕩器，它能提供丙路的四路相位不同的輸出信號；其振蕩頻率 可以通過一個(gè)外部電阻（RSET）進(jìn)行設(shè)定，頻率范圍為5kHz～20MHz;它還提供一種可供選用的擴(kuò)頻調(diào)制（即 Spread Spectrum Frequency Modulation-SSFM）工作模式，SSFM也由一個(gè)外部電阻（RMOD）進(jìn)行控制。其主要的 性能及特點(diǎn)如下： （1）可編程的2相、3相或4相輸出； （2）頻率范圍為5kHz～20MHz，由外部電阻RSET設(shè)置，******頻率誤差≤2%。 （3）擴(kuò)頻調(diào)制的頻率擴(kuò)展度為0～100%，由外部電阻RMOD設(shè)置； （4）啟動(dòng)時(shí)間短，約為50μs～1.5ms之間； （5）單電源供電：2.7V～5.5V；典型耗電400μ（V+=3V，fout=1MHz時(shí)） （6）溫度穩(wěn)定性達(dá)±40ppm/℃； （7）采用10腳的MSOP封裝形式。 由于LTC6902具有以上性能及特點(diǎn)，通常用于為開關(guān)電源控制芯片或開關(guān)穩(wěn)壓器（如SG1525A系列、LT3430等） 提供參考時(shí)鐘，最適合于為分布式電源系統(tǒng)中的四個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器提供同步時(shí)鐘信號，也可以用于便攜式電池供電設(shè) 備或作為開關(guān)電容濾波器的時(shí)鐘。 2 LTC6902芯片的工作原理 LTC6902主要由主振蕩器、分頻比可編程的分頻器、固定分頻比為3200的分頻器、偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS） 產(chǎn)生器、D/A轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)放大器、一個(gè)跟隨器和一個(gè)鏡像電流源組成，如圖1所示。 TLC6902的主振蕩器頻率f受兩個(gè)因素的控制：一是“V+”和“SET”兩只引腳間的電壓差（V+-VSET），二是流 入主振蕩器的電流Im。而且符合以下關(guān)系式： f=10MHz·20kΩ·IM/(V+-VSET) (1) Im=ISET-IMOD (2) 以上兩式中，各變量的意義分別是：VSET為“SET”引腳對地的直流電壓，ISET為流過頻率編程電阻RSET的電 流；IMOD為流過擴(kuò)頻編程電阻RMOD的電流。 2．1 定頻應(yīng)用 定頻應(yīng)用指不使用擴(kuò)頻功能，只將LTC6902作為普通可編程定頻振蕩器使用。此時(shí)，芯片的9腳（“MOD”引 腳）接地，IMOD為零，IM=ISET成立。 由于：ISET=（V+-VSET）/RSET （3） 所以：f=10MHz·20kΩ/RSET (4) 顯示，此時(shí)主振蕩器的振蕩頻率只受外部編程電阻RSET的控制，其頻率范圍為100kHz～20MHz。 主振蕩器的輸出經(jīng)過可編程分頻器N次分頻后，送往多相選擇輸出電路，分頻比N的值由“DIV”腳的電壓確 定。在多相選擇輸出電路中，根據(jù)“PH”腳的編程電壓確定給外電路提供2相、3相還是4相的方波（或矩形波）信 號。同時(shí)，還根據(jù)輸出的相數(shù)對信號進(jìn)行M次分頻：2相輸出時(shí)，M=1；3相和4相輸出時(shí)，M分別等于3和4。這樣，最 終從引腳OUT1～OUT4輸出脈沖的頻率為： fout=(10MHz)/(N·M) ·(20KΩ/RSET) (5) 2.2 擴(kuò)頻應(yīng)用 擴(kuò)頻（SSFM）應(yīng)用時(shí)，振蕩器的頻率受一個(gè)偽隨機(jī)噪聲（PRN）信號調(diào)制，振蕩頻率在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)變 化，從而把振蕩器的能量擴(kuò)展到一個(gè)寬頻帶內(nèi)這種擴(kuò)展作用降低了電磁輻射（EMI）的峰值水平，提高了電磁兼容 性能。 頻率擴(kuò)展的幅度由外部電阻RMOD以及“V+”和“MOD”兩只引腳間的電壓差（V+-VMOD）決定。VMOD是個(gè)動(dòng)態(tài)信 號，它由一個(gè)以VSET為參考的相乘型D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，D/A轉(zhuǎn)換器的輸入是7位并行的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS）， 該序列碼與（1/5·VSET）相乘后得到VMOD，VMOD以偽隨機(jī)噪聲的規(guī)律變化。電壓差（V+-VMOD）最小時(shí)，IMOD=0， IM=ISET，主振蕩器振蕩器頻率最高，即為由RSET設(shè)定的頻率f(見式4)；（V+-VMOD）******時(shí)，IMOD=0.2ISET， IM=0.8ISET，主振蕩器頻率最低（為f的80%）。 根據(jù)VMOD與VSET的關(guān)系，RSET與RMOD的比值決定頻率擴(kuò)展的幅度。頻率擴(kuò)展度的定義如下： FS（%）=100·（fmax-fmin）/fmax =20·RSET/RMOD (6) PRBS碼由一個(gè)帶線性反饋的9位移位寄存器產(chǎn)生，每512（2 9）個(gè)移位時(shí)鐘周期重復(fù)一次。移動(dòng)寄存器的后7位 輸出到D/A轉(zhuǎn)換器用于生成VMOD電壓，輸出波形包括128（2 7）個(gè)離散的臺(tái)階，每改變一個(gè)移位時(shí)鐘周期就變化一 個(gè)臺(tái)階。移位寄存器的時(shí)鐘由主振蕩器的輸出經(jīng)3200次分頻后得到。這樣，偽隨機(jī)序列每隔（512×3200/f）秒就 重復(fù)一次。經(jīng)PRBS調(diào)制后的波形與偽隨機(jī)噪聲類似。 頻率擴(kuò)展度越高，則EMI降低越大。因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，盡可能選取更高的振蕩頻率，并將FS值取得較大，其 可用范圍約為5%～80%。實(shí)踐證明FS在10%～40%范圍內(nèi)取會(huì)值時(shí)，綜合效果******。 圖2 3 設(shè)計(jì)與應(yīng)用 LTC6902常用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)穩(wěn)壓器或開關(guān)控制器，尤其在分布式電源系統(tǒng)中，多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器工作于同一頻率 時(shí)，用LTC6902作驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘源，能夠減少輸入電容的數(shù)量，還能避免由于多個(gè)時(shí)鐘頻率及其諧波的存在而產(chǎn)生的差 拍干擾。 為了降低EMI，用LTC6902作為驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)原則和步驟如下： （1）使LTC6902工作于SSFM模式。 （2）根據(jù)電源功率、開關(guān)變壓器磁芯尺寸等系統(tǒng)要求或已有條件，設(shè)定盡可能高的電源工作頻率。 由于LTC6902工作在SSFM模式時(shí)，其內(nèi)部頻率擴(kuò)展的步進(jìn)帶寬大約為25kHz，而開關(guān)穩(wěn)壓器的工作帶寬在工作頻 率的1/50到1/2之間變化，典型值為工作頻率的1/10。因此，為使開關(guān)穩(wěn)壓器平穩(wěn)工作，不產(chǎn)生跳變，要保證其工 作頻率最低為250kHz。但電源工作頻率也不是越高越好，因?yàn)轭l率越高，變壓器損耗增加，效率降低。因此 LTC6902適合于中、小功諧振電源系統(tǒng)應(yīng)用。 （3）確定輸出相數(shù)，設(shè)定RSET及分頻比N、M的值。 當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓器工作頻率（LTC6902的fout與之相同）確定以后，根據(jù)系統(tǒng)中開關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)量，確定LTC6902的 輸出相數(shù)，分頻比M也隨之確定（參考表1）。 由于LTC6902的偽隨調(diào)制信號發(fā)生器由主振蕩器頻率驅(qū)動(dòng)，為了達(dá)到最好的EMC性能，主振蕩器應(yīng)工作于盡可能 高的頻率。根據(jù)這項(xiàng)原則和已有的條件利用公式（5），并參考表1中給定的取值范圍，確定分頻比N和RSET的值。 （4）設(shè)定RMOD，確定頻率擴(kuò)展度FS。 如果單純?yōu)榱私档头逯递椛?，頻率擴(kuò)展度FS選得越高越好。但若考慮擴(kuò)展后的信號頻率對系統(tǒng)內(nèi)其它電路的干 擾，必須謹(jǐn)慎選擇頻率擴(kuò)展度FS，而且可能還要反復(fù)試驗(yàn)，以確定******值。 在fout、N、M和RSET以及頻率擴(kuò)展度FS依次確定后，就可以根據(jù)公式（6）計(jì)算出RMOD的值。 根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則與方法，采用一片LTC6902和兩片LT1310設(shè)計(jì)了一個(gè)具有+5V輸入、兩組+12V輸出的升壓電源 電路，其具體電路如圖2所示。 在該電源中，開關(guān)穩(wěn)壓器LT1310的工作頻率為1MHz（關(guān)于LT1310的設(shè)計(jì)，LTC6902的各有關(guān)設(shè)計(jì)值為：M=1、 N=10、RSET=20kΩ、RMOD=16kΩ、頻率擴(kuò)展度為25%。LTC6902輸出兩路互為反相的方波脈沖去同步兩片LT1310的工 作。L選用1.5A的高頻幀片功率電感，也可以用φ0.6的漆包線在10mm×6mm×5mm）的環(huán)形NXO-1000高頻鐵氧體上繞 20圈左右代替；D選用快恢復(fù)二極管FR151。 印刷電路板制作時(shí)，為減小EMI，在頂層上的空白區(qū)域鋪設(shè)大面積敷銅作為接地層。最后，用YB4361示波器和 HP8596E頻譜分析儀對實(shí)際電路進(jìn)行了評估。測量結(jié)果表明，采用擴(kuò)頻調(diào)制后，輸出的白噪聲比普通定頻工作時(shí)有 所增大，但EMI峰值下降幅度超過了20dB。顯然，利用偽隨機(jī)噪聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻調(diào)制，并將這種技術(shù)應(yīng)用于開關(guān)電 源的設(shè)計(jì)，對于降低開關(guān)電源的EMI是一種非常有效的手段。 |
