摘 要： 介紹了多相擴(kuò)頻" title="擴(kuò)頻">擴(kuò)頻振蕩器LTC6902的原理,，并將其應(yīng)用于開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">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,，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,，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,，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)和偽隨機噪聲技術(shù)設(shè)計的多相擴(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,。
1 LTC6902的性能特點及引腳功能
LTC6902是一款使用方便的低功耗,、多相擴(kuò)頻振蕩器，它能提供兩路到四路相位不同的輸出信號,；其振蕩頻率可以通過一個外部電阻(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也由一個外部電阻(RMOD)進(jìn)行控制,。其主要的性能及特點如下：
(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，最大頻率誤差≤2%,；
(3)擴(kuò)頻調(diào)制的頻率擴(kuò)展" title="頻率擴(kuò)展">頻率擴(kuò)展度為0～100%,，由外部電阻RMOD設(shè)置；
(4)啟動時間短,，約為50μs～1.5ms之間,；
(5)單電源供電：2.7V～5.5V；典型耗電400μA(V+= 3V,，fOUT=1MHz時)
(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,，通常用于為開關(guān)電源控制芯片或開關(guān)穩(wěn)壓器" title="開關(guān)穩(wěn)壓器">開關(guān)穩(wěn)壓器(如SG1525A系列,、LT3430等)提供參考時鐘，最適合于為分布式電源系統(tǒng)中的四個開關(guān)穩(wěn)壓器提供同步時鐘信號,，也可以用于便攜式電池供電設(shè)備或作為開關(guān)電容濾波器的時鐘,。
LTC6902的各引腳功能說明見表1。
2 LTC6902芯片的工作原理
LTC6902主要由主振蕩器,、分頻" title="分頻">分頻比可編程的分頻器,、固定分頻比為3200的分頻器、偽隨機二進(jìn)制序列(PRBS)產(chǎn)生器,、D/A轉(zhuǎn)換器以及一個放大器,、一個跟隨器和一個鏡像電流源組成，如圖1所示,。
LTC6902的主振蕩器頻率f受兩個因素的控制：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 ：
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，芯片的9腳(“MOD”引腳)接地,，IMOD 為零,，IM=ISET 成立。
顯然,，此時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,，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,，M=1；3相和4相輸出時,，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：
2.2 擴(kuò)頻應(yīng)用
擴(kuò)頻(SSFM)應(yīng)用時,，振蕩器的頻率受一個偽隨機噪聲(PRN)信號調(diào)制，振蕩頻率在一個較寬的范圍內(nèi)變化,，從而把振蕩器的能量擴(kuò)展到一個寬頻帶內(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是個動態(tài)信號，它由一個以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位并行的偽隨機二進(jìn)制序列(PRBS),，該序列碼與(
·VSET)相乘后得到VMOD，VMOD以偽隨機噪聲的規(guī)律變化,。電壓差(V+ -VMOD)的最小值是0V,，最大值為·(V+-VSET)。(V+-VMOD)最小時,，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,，IMOD=0.2ISET，IM=0.8ISET, 主振蕩器振蕩頻率最低(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：
PRBS 碼由一個帶線性反饋的9位移位寄存器產(chǎn)生,，每512(29)個移位時鐘周期重復(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)個離散的臺階,，每改變一個移位時鐘周期就變化一個臺階,。移位寄存器的時鐘由主振蕩器的輸出經(jīng)3200次分頻后得到。這樣,，偽隨機序列每隔(512×3200/f)秒就重復(fù)一次,。經(jīng)PRBS調(diào)制后的波形與偽隨機噪聲類似。
頻率擴(kuò)展度越高,，則EMI降低越大,。因此，實際應(yīng)用時,，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%,。實踐證明FS在10%～40%范圍內(nèi)取值時,，綜合效果最佳。
3 設(shè)計與應(yīng)用
LTC6902常用于驅(qū)動開關(guān)穩(wěn)壓器或開關(guān)控制器,，尤其在分布式電源系統(tǒng)中,，多個開關(guān)穩(wěn)壓器工作于同一頻率時，用LTC6902作驅(qū)動時鐘源,，能夠減少輸入電容的數(shù)量,，還能避免由于多個時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)動時鐘的開關(guān)電源的設(shè)計原則和步驟如下：
(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，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,，因為頻率越高,，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的偽隨機調(diào)制信號發(fā)生器由主振蕩器頻率驅(qū)動,，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,，以確定最佳值,。
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)計算出RMOD的值。
根據(jù)上述設(shè)計原則與方法,，采用一片LTC6902和兩片LT1310設(shè)計了一個具有+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,，請參閱參考文獻(xiàn)2)，LTC6902的各有關(guān)設(shè)計值為：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的高頻帖片功率電感,，也可以用Φ0.6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。
印刷電路板制作時,，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有所增大,，但EMI峰值下降幅度超過了20dB。顯然,，利用偽隨機噪聲技術(shù)實現(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，對于降低開關(guān)電源的EMI是一種非常有效的手段,。
參考文獻(xiàn)
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. 開關(guān)穩(wěn)壓電源. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001