擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、    擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用    擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用    類別：電源技術(shù)                      &nbsp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

2、,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

3、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)域中的一種新技術(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。    &nbsp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。    &nbsp1 LTC6902的性能特點(diǎn)及引腳功能  

4、0; &nbspLTC6902是一款使用方便的低功耗、多相擴(kuò)頻振蕩器,它能提供兩路到四路相位不同的輸出信號(hào);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5kHz20MHz;它還提供一種可供選用的擴(kuò)頻調(diào)制(即Spread Spectrum Frequency ModulationSSFM)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5kHz20MHz,由外部電阻RSET設(shè)置,

5、最大頻率誤差2%;     (3)擴(kuò)頻調(diào)制的頻率擴(kuò)展度為0100%,由外部電阻RMOD設(shè)置;     (4)啟動(dòng)時(shí)間短,約為50s1.5ms之間;     (5)單電源供電:2.7V5.5V;典型耗電400A(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。    &n

6、bsp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(hào),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。 LTC6902的各引腳功能說明見表1。             &nbsp表1 LTC6902的引腳功能    &nbsp2 LTC6902芯片的工作原理    

7、;&nbspLTC6902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。             &nbsp圖1 LTC6902的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖    &nbspLTC6902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

8、以下關(guān)系式 :    &nbspf=10MHz·20k·IM/(V+-VSET) (1)    &nbspIM=ISET-IMOD (2)    &nbsp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。    &nbsp2.1 定頻應(yīng)用       

9、0;&nbsp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。    &nbsp由于:ISET =(V+-VSET)/RSET    (3)    &nbsp所以:f=10MHz·20k/RSET    (4)    &nbsp顯然,此時(shí)主振蕩器的振蕩頻率只受外部編程電阻RSET的控

10、制,其頻率范圍為100kHz20MHz。    &nbsp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(hào)。同時(shí),還根據(jù)輸出的相數(shù)對信號(hào)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OUT1OUT4輸出脈沖的頻率為:              &n

11、bsp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(hào)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。    &nbsp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(hào),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

12、(V+-VMOD)的最小值是0V,最大值為1/5·(V+-VSET)。(V+-VMOD)最小時(shí),IMOD=0,IM=ISET,主振蕩器振蕩頻率最高,即為由RSET設(shè)定的頻率f(見式(4);(V+-VMOD)最大時(shí),IMOD=0.2ISET,IM=0.8ISET, 主振蕩器振蕩頻率最低(為f的80%)。    &nbsp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:             

13、&nbspPRBS 碼由一個(gè)帶線性反饋的9位移位寄存器產(chǎn)生,每512(29)個(gè)移位時(shí)鐘周期重復(fù)一次。移位寄存器的后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(27)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。    &nbsp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

14、在10%40%范圍內(nèi)取值時(shí),綜合效果最佳。    &nbsp3 設(shè)計(jì)與應(yīng)用    &nbspLTC6902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。     

15、(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。    &nbsp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、小功率的電源系統(tǒng)應(yīng)用。     (3)確定輸出相數(shù),設(shè)定RSET及分頻

16、比N、M的值。    &nbsp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)。    &nbsp由于LTC6902的偽隨機(jī)調(diào)制信號(hào)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。  

17、  &nbsp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(hào)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),以確定最佳值。    &nbsp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。    &nbsp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。   &

18、#160;         &nbsp圖2 雙路12V電源原理圖    &nbsp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),請參閱參考文獻(xiàn)2),LTC6902的各有關(guān)設(shè)計(jì)值為:M=1、N=10、RSET=20k、RMOD=16k、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的高頻帖片功率電感,也可以用0.6的漆包線在10mm×6mm×5mm的環(huán)型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。    &nbsp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。