扩频调制技术在开关电源设计中的应用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍了多相扩频振荡器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。 关键词:扩频调制 伪随机二进制序列 多相振荡器 电磁干扰 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。 图1 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,它能提供丙路的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400μ(V+=3V,fout=1MHz时) (6)温度稳定性达%26;#177;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。 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。 TLC6902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%26;#183;20kΩ%26;#183;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%26;#183;20kΩ/RSET (4) 显示,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: fout=(10MHz)/(N%26;#183;M) %26;#183;(20KΩ/RSET) (5) 2.2 扩频应用 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%26;#183;VSET)相乘后得到VMOD,VMOD以伪随机噪声的规律变化。电压差(V+-VMOD)最小时,IMOD=0,IM=ISET,主振荡器振荡器频率最高,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: FS(%)=100%26;#183;(fmax-fmin)/fmax =20%26;#183;RSET/RMOD (6) PRBS码由一个带线性反馈的9位移位寄存器产生,每512(2 9)个移位时钟周期重复一次。移动寄存器的后7位输出到D/A转换器用于生成VMOD电压,输出波形包括128(2 7)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%26;#215;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%范围内取会值时,综合效果最佳。 图2 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、小功谐振电源系统应用。 (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。 在该电源中,开关稳压器LT1310的工作频率为1MHz(关于LT1310的设计,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的高频帧片功率电感,也可以用φ0.6的漆包线在10mm%26;#215;6mm%26;#215;5mm)的环形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。
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