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开关电源自问世以来,以其体积小、损耗小、效率高(一般可达80%以上)等优点,在电源领域得到了快速的发展,其应用范围也越来越广泛,开关电源技术已经成为电源领域中的主流技术。但应用在通信、仪器仪表等设备中时,开关电源的开关脉冲及其谐波与寄生振荡带来的电磁干扰(EMI),使得系统中的某些性能或指标有不同程度的下降。如何减小开关电源对系统中其它设备及外界的电磁干扰,一直是电源设计中不可回避的问题。通常情况下,根据传播路径的不同,开关电源产生的电磁干扰可以分为传导干扰和辐射干扰两大类,传导干扰沿电源的输入、输出线传播;而辐射干扰属于射频干扰,以空间辐射为主。针对传导干扰和辐射干扰的不同特点,抑制EMI的传统做法分别是采用滤波和屏蔽技术。只要设计合理,这两种措施的效果是比较明显的。但是,在有些场合中,却很难满足设计要求。目前,又出现一种降低开关电源EMI的新技术——扩频调制技术。扩频调制技术原本是应用于无线通信领域中的一种新技术,但将其应用于开关电源(或DC/DC转换器)的设计中,能显著地降低开关电源的EMI,提高开关电源的电磁兼容(EMC)性能。
本文介绍美国凌特(Linear Technology)公司采用扩频调制技术和伪随机噪声技术设计的多相扩频振荡器LTC6902的原理,并将其应用于开关电源中,以提高开关电源的EMC性能。
1 LTC6902的性能特点及引脚功能
LTC6902是一款使用方便的低功耗、多相扩频振荡器,它能提供两路到四路相位不同的输出信号;其振荡频率可以通过一个外部电阻(RSET)进行设定,频率范围为5kHz～20MHz;它还提供一种可供选用的扩频调制(即Spread Spectrum Frequency Modulation—SSFM)工作模式,SSFM也由一个外部电阻(RMOD)进行控制。其主要的性能及特点如下:
(1)可编程的2相、3相或4相输出;
(2)频率范围为5kHz～20MHz,由外部电阻RSET设置,最大频率误差≤2%;
(3)扩频调制的频率扩展度为0～100%,由外部电阻RMOD设置;
(4)启动时间短,约为50μs～1.5ms之间;
(5)单电源供电:2.7V～5.5V;典型耗电400μA(V+= 3V,fOUT=1MHz时)
(6) 温度稳定性达±40ppm/℃;
(7) 采用10脚的MSOP封装形式。
由于LTC6902具有以上性能及特点,通常用于为开关电源控制芯片或开关稳压器(如SG1525A系列、LT3430等)提供参考时钟,最适合于为分布式电源系统中的四个开关稳压器提供同步时钟信号,也可以用于便携式电池供电设备或作为开关电容滤波器的时钟。 LTC6902的各引脚功能说明见表1。
表1 LTC6902的引脚功能
2 LTC6902芯片的工作原理
LTC6902主要由主振荡器、分频比可编程的分频器、固定分频比为3200的分频器、伪随机二进制序列(PRBS)产生器、D/A转换器以及一个放大器、一个跟随器和一个镜像电流源组成,如图1所示。
图1 LTC6902的内部结构框图
LTC6902的主振荡器频率f受两个因素的控制:一是“V+”和“SET”两只引脚间的电压差(V+-VSET),二是流入主振荡器的电流IM。而且符合以下关系式 :
f=10MHz·20kΩ·IM/(V+-VSET) (1)
IM=ISET-IMOD (2)
以上两式中,各变量的意义分别是:VSET为“SET”引脚对地的直流电压,ISET为流过频率编程电阻RSET的电流;IMOD为流过扩频编程电阻RMOD的电流。
2.1 定频应用
定频应用指不使用扩频功能,只将LTC6902作为普通可编程定频振荡器使用。此时,芯片的9脚(“MOD”引脚)接地,IMOD 为零,IM=ISET 成立。
由于:ISET =(V+-VSET)/RSET (3)
所以:f=10MHz·20kΩ/RSET (4)
显然,此时主振荡器的振荡频率只受外部编程电阻RSET的控制,其频率范围为100kHz～20MHz。
主振荡器的输出经过可编程分频器N次分频后,送往多相选择输出电路,分频比N的值由“DIV”脚的电压确定。在多相选择输出电路中,根据“PH”脚的编程电压确定给外电路提供2相、3相还是4相的方波(或矩形波)信号。同时,还根据输出的相数对信号进行M次分频:2相输出时,M=1;3相和4相输出时,M分别等于3和4。这样,最终从引脚OUT1～OUT4输出脉冲的频率为:
扩频(SSFM)应用时,振荡器的频率受一个伪随机噪声(PRN)信号调制,振荡频率在一个较宽的范围内变化,从而把振荡器的能量扩展到一个宽频带内,这种扩展作用降低了电磁辐射(EMI)的峰值水平,提高了电磁兼容性能。
频率扩展的幅度由外部电阻RMOD以及“V+”和“MOD”两只引脚间的电压差(V+-VMOD)决定。VMOD是个动态信号,它由一个以VSET为参考的相乘型D/A转换器产生,D/A转换器的输入是7位并行的伪随机二进制序列(PRBS),该序列码与(1/5·VSET)相乘后得到VMOD,VMOD以伪随机噪声的规律变化。电压差(V+-VMOD)的最小值是0V,最大值为1/5·(V+-VSET)。(V+-VMOD)最小时,IMOD=0,IM=ISET,主振荡器振荡频率最高,即为由RSET设定的频率f(见式(4));(V+-VMOD)最大时,IMOD=0.2ISET,IM=0.8ISET, 主振荡器振荡频率最低(为f的80%)。
根据VMOD与VSET的关系,RSET与RMOD的比值决定频率扩展的幅度。频率扩展度的定义如下:
PRBS 码由一个带线性反馈的9位移位寄存器产生,每512(29)个移位时钟周期重复一次。移位寄存器的后7位输出到D/A转换器用于生成VMOD电压,输出波形包括128(27)个离散的台阶,每改变一个移位时钟周期就变化一个台阶。移位寄存器的时钟由主振荡器的输出经3200次分频后得到。这样,伪随机序列每隔(512×3200/f)秒就重复一次。经PRBS调制后的波形与伪随机噪声类似。
频率扩展度越高,则EMI降低越大。因此,实际应用时,尽可能选取更高的振荡频率,并将FS值取得较大,其可用范围约为5%～80%。实践证明FS在10%～40%范围内取值时,综合效果最佳。
3 设计与应用
LTC6902常用于驱动开关稳压器或开关控制器,尤其在分布式电源系统中,多个开关稳压器工作于同一频率时,用LTC6902作驱动时钟源,能够减少输入电容的数量,还能避免由于多个时钟频率及其谐波的存在而产生的差拍干扰。为了降低EMI,用LTC6902作为驱动时钟的开关电源的设计原则和步骤如下:
(1)使LTC6902工作于SSFM模式。
(2)根据电源功率、开关变压器磁芯尺寸等系统要求或已有条件,设定尽可能高的电源工作频率。
由于LTC6902工作在SSFM模式时,其内部频率扩展的步进带宽大约为25kHz,而开关稳压器的工作带宽在工作频率的1/50到1/2之间变化,典型值为工作频率的1/10。因此,为使开关稳压器平稳工作,不产生跳变,要保证其工作频率最低为250kHz。但电源工作频率也不是越高越好,因为频率越高,变压器损耗增加,效率降低。因此LTC6902适合于中、小功率的电源系统应用。
(3)确定输出相数,设定RSET及分频比N、M的值。
当开关稳压器工作频率(LTC6902的fout与之相同)确定以后,根据系统中开关稳压器的数量,确定LTC6902的输出相数,分频比M也随之确定(参考表1)。
由于LTC6902的伪随机调制信号发生器由主振荡器频率驱动,为了达到最好的EMC性能,主振荡器应工作于尽可能高的频率。根据这项原则和已有的条件,利用公式(5),并参考表1中给定的取值范围,确定分频比N和RSET的值。
(4)设定RMOD,确定频率扩展度FS。
如果单纯为了降低峰值辐射,频率扩展度FS选得越高越好。但若考虑扩展后的信号频率对系统内其它电路的干扰,必须谨慎选择频率扩展度FS,而且可能还要反复试验,以确定最佳值。
在fout、N、M和RSET以及频率扩展度FS依次确定后,就可以根据公式(6)计算出RMOD的值。
根据上述设计原则与方法,采用一片LTC6902和两片LT1310设计了一个具有+5V输入、两组+12V输出的升压电源电路,其具体电路如图2所示。
图2 双路12V电源原理图
在该电源中,开关稳压器LT1310的工作频率为1MHz(关于LT1310的设计,请参阅参考文献2),LTC6902的各有关设计值为:M=1、N=10、RSET=20kΩ、RMOD=16kΩ、频率扩展度为25%。LTC6902输出两路互为反相的方波脉冲去同步两片LT1310的工作。L选用1.5A的高频帖片功率电感,也可以用Φ0.6的漆包线在10mm×6mm×5mm的环型NXO-1000高频铁氧体上绕20圈左右代替;D选用快恢复二极管FR151。
印刷电路板制作时,为减小EMI,在顶层上的空白区域铺设大面积敷铜作为接地层。最后,用YB4361示波器和HP8596E频谱分析仪对实际电路进行了评估。测量结果表明,采用扩频调制后,输出的白噪声比普通定频工作时有所增大,但EMI峰值下降幅度超过了20dB。显然,利用伪随机噪声技术实现扩频调制,并将这种技术应用于开关电源的设计,对于降低开关电源的EMI是一种非常有效的手段。
参考文献
1 LTC6902 Product Data Sheet. Linear Technology Inc, 2003
2 LTC1310 Product Data Sheet. Linear Technology Inc, 2001
3 王水平,付敏江. 开关稳压电源. 西安:西安电子科技大学出版社,2001