頻率抖動(dòng)技術(shù)在開關(guān)電源振蕩器中的實(shí)現(xiàn)

引言

開關(guān)電源以其小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于 幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展中不可缺 少的一種電源方式。但是隨著開關(guān)電源工作頻率的不斷提 高，高頻工作頻率中所含有的高頻諧波成分將會(huì)通過電源傳 輸線或是空間電磁場的方式向外部傳播，造成傳導(dǎo)干擾和輻 射干擾。近年來伴隨通訊及控制技術(shù)的發(fā)展，各種高頻數(shù) 字電路對開關(guān)電源電磁兼容性(EMC)的要求更加嚴(yán)格，如何 減小電磁干擾(EMI)已經(jīng)成為開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的一大難點(diǎn)。 目前提出的一些降低開關(guān)電源電磁干擾技術(shù)，例如：PWM隨 機(jī)開關(guān)調(diào)制技術(shù)和混沌調(diào)制技術(shù)，電路結(jié)構(gòu)都相對復(fù)雜且實(shí) 現(xiàn)成本大。本文中所采用的頻率抖動(dòng)技術(shù)相對以上兩種技術(shù) 實(shí)現(xiàn)相對簡單，其原理是：通過將固定的開關(guān)工作頻率設(shè)為 在一定范圍內(nèi)抖動(dòng)的頻率，使得本該集中在固定頻率處的輻射 頻譜分散到所設(shè)定的頻帶范圍，以降低輻射電平滿足電磁兼 容性的要求。

1周期性頻率抖動(dòng)振蕩器

1.1振蕩器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本文所設(shè)計(jì)的周期性頻率抖動(dòng)振蕩器的系統(tǒng)框圖如 圖1所示。

由圖1可以看出，頻率抖動(dòng)振蕩器由一個(gè)張弛振蕩器加 上一個(gè)頻率抖動(dòng)模塊構(gòu)成。其工作原理：首先，開關(guān)S1閉合, 電流源I給電容Cc充電，充電剛開始時(shí)電容Cc上極板的電 壓小于BG1和BG2, RS觸發(fā)器的輸出被置為低電平0，當(dāng)電 容上極板電壓Va大于BG2時(shí)，RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)處于保 持狀態(tài)，直到上極板電壓V大于BG1之后RS觸發(fā)器的輸出 翻轉(zhuǎn)被置為高電平1 ;此時(shí)，開關(guān)S2導(dǎo)通，電流源I1給電容 Cc放電，當(dāng)Va減小到小于BG1時(shí)，RS觸發(fā)器的輸出處于保 持狀態(tài)，當(dāng)Va減小到小于BG2時(shí)，RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)被置為低 電平0 ；于是，開關(guān)S1又閉合開始對Cc充電，如此周而復(fù)始, 得到一個(gè)頻率固定的振蕩器。圖1中的電流源I。、I1的電流相等, 則振蕩器的占空比為0.5。頻率抖動(dòng)控制模塊是通過計(jì)數(shù)器來 周期性的切換加入到張弛振蕩器中充放電電容的大小，改變 電壓Va的充放電速度，從而來達(dá)到周期性的改變振蕩器頻率 的目的，即實(shí)現(xiàn)了振蕩器頻率的抖動(dòng)。

1.2張弛振蕩器設(shè)計(jì)

張弛振蕩器的電路圖如圖2所示。M0、M1管鏡像電 流為圖1中的電流源I。，M4、M5鏡像電流為圖1中的電流源 11，且I°=I1=I。M?M12和C°、C1、C2、C4構(gòu)成頻率抖動(dòng)模塊, 通過計(jì)數(shù)器來不斷切換MOS開關(guān)的通斷來改變充、放電電 容的大小，實(shí)現(xiàn)頻率抖動(dòng)功能。M13為振蕩器提供起振條件, 在電源上電后M13管導(dǎo)通，經(jīng)過5 us后M13管關(guān)斷。使電容 上電后上極板電壓V瞬間放電將為低電平0, RS觸發(fā)器置為 0電平，OSC為O電平，m2管導(dǎo)通M3管截止，電流從M,、 M1管流向電容Cc充電，當(dāng)電壓Va沖到大于BG1時(shí)，OSC為 高電平1 ；此時(shí)M2管截止M3管導(dǎo)通，于是對電容Cc放電, 直到Va放電到低于BG2, OSC翻轉(zhuǎn)，如此往復(fù)上述過程，即 得到了一個(gè)頻率固定的張弛振蕩器。此振蕩器的頻率可以通 過如下公式推導(dǎo)得到。

從（4）式可以看出，可以通過改變電容Co充放電電流 I和電壓差值BG2 — BQ能夠?qū)崿F(xiàn)任意頻率的振蕩器。本文 中所設(shè)計(jì)的周期性頻率抖動(dòng)振蕩器的中心頻率為100 kHz,抖 動(dòng)范圍為±4 kHz。

1.3 頻率抖動(dòng)控制模塊

本文中所設(shè)計(jì)的頻率抖動(dòng)控制模塊是通過計(jì)數(shù)器來控制圖 2 中 M6 ～ M12 開關(guān)管的通斷來周期性的改變充放電電容的大小來實(shí)現(xiàn)的。頻率抖動(dòng)控制模塊的電路圖如圖 3 所示，由7 個(gè) D 觸發(fā)器串聯(lián)構(gòu)成 512 分頻觸發(fā)器，第 8 個(gè) D 觸發(fā)器的輸出信號加入到異或門用于實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器 K4，K2，K1，K0 加減法計(jì)數(shù)切換，保證加入到張弛振蕩器中的電容不會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)的大容值的變換，從而引起振蕩器的振蕩頻率有過大的變化。本文中所設(shè)計(jì)振蕩器的中心頻率為 100 kHz，頻率抖動(dòng)范圍為±4 kHz，頻率從 96 kHz，100 kHz，104 kHz 周期性地變化，頻率抖動(dòng)周期為 5 ms。

2仿真結(jié)果

本文基于 BCD 0.5 um 25 V 工藝，使用 Cadence Spectre 對振蕩器進(jìn)行仿真。張弛振蕩器未加頻率抖動(dòng)模塊的仿真結(jié) 果如圖4所示，圖中張弛振蕩器的振蕩頻率為100 kHz，占空 比為0.5。

頻率抖動(dòng)模塊的輸出仿真波形如圖5所示，計(jì)數(shù)器K）， K1，K2, K4實(shí)現(xiàn)了加減法交替功能，從而周期性頻率抖動(dòng)振 蕩器的振蕩頻率為平穩(wěn)的完成周期性的變化。

圖6、圖7分別為對不加頻率抖動(dòng)和加了頻率抖動(dòng)進(jìn)行傅 里葉分析的頻譜圖，對比圖6和圖7可以看出加了頻率抖動(dòng)電 路之后在固定頻率處的頻譜幅值下降了大約11 dB，由此可見 頻率抖動(dòng)電路對減小EMI的效果非常明顯。

3 結(jié) 語

本文采用 BCD0.4μm 25 V 工 藝 設(shè) 計(jì)了一款周期性的頻率抖動(dòng)振蕩器，采用張弛振蕩器實(shí)現(xiàn)固定頻率振蕩器，通過加減法計(jì)數(shù)器控制加入張弛振蕩器中電容的大小來改變振蕩器的頻率，從而使原本集中在固定頻率處的頻譜分散到其它頻率點(diǎn)上。本文所設(shè)計(jì)的周期性頻率抖動(dòng)振蕩器的中心頻率為 100 kHz，頻率抖動(dòng)范圍為 ±4 kHz，加頻率抖動(dòng)模塊之后 100 kHz 處的頻譜下降了大約 11 dB，減小電磁干擾的效果非常明顯。該頻率抖動(dòng)振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，且減小EMI 效果好，在開關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)中具有非常實(shí)用的價(jià)值。

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