擴(kuò)頻降低EMI的DC/DC穩(wěn)壓器電路設(shè)計(jì)

引言

　　在密集排列的系統(tǒng)電路板上，開關(guān)模式DC/DC穩(wěn)壓器具有較低的熱耗散。然而，電流的快速切換、定義不完備的布局、電感器等組件的放置和選擇使組成的電路有可能成為主要的EMI(電磁干擾)源。此外，當(dāng)多個DC/DC開關(guān)模式穩(wěn)壓器并聯(lián)潛在的干擾和噪聲問題可能惡化。如果所有組件都在類似的頻率工作(切換)，能量都集中在一個頻率上。這種能量的存在可能成為一個隱憂，尤其是當(dāng)PC板上其余的IC及其它系統(tǒng)電路板互相靠得很近，易受這種輻射能量的影響時。一種解決方案是，將這種能量擴(kuò)展到很多頻率，而不是集中在一個頻率，從而降低其幅度和強(qiáng)度。
 

　　這種方案采用了一個擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制(SSFM)時鐘。運(yùn)用擴(kuò)頻方法來降低EMI，旨在使時鐘保持運(yùn)動狀態(tài)。穩(wěn)固時鐘是一個供相鄰器件和符合性測試設(shè)備進(jìn)行鎖定的簡易目標(biāo)，并為它們提供在固定時鐘頻率或其諧波上累積發(fā)射信號能量所需的時間。此外，一種特殊的模塊化DC/DC開關(guān)模式穩(wěn)壓器系統(tǒng)可為密集排列的電路板提供大功率、低熱量以及低EMI電源解決方案。使用在一個基片上的模塊化和預(yù)組裝DC/DC開關(guān)模式穩(wěn)壓器電路的好處是，通過恰當(dāng)?shù)亟拥睾妥畲笙薅鹊乜s短電流環(huán)路，同時在一個寬開關(guān)頻率范圍內(nèi)工作來優(yōu)化布局，并實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)功能。就最好結(jié)果而言，這類器件應(yīng)該在一個小的封裝中包含所有需要的組件，例如電感器、DC/DC穩(wěn)壓器、MOSFET和補(bǔ)償電路。

　　一種利用微型模塊(µModule) DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器(即完整的DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器系統(tǒng)級封裝)的新技術(shù)可實(shí)現(xiàn)具低EMI、低輸出及輸入紋波電流的大電流模塊化負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器。

　　采用4個μModule穩(wěn)壓器提供48A最大輸出電流、1.5V輸出電壓

　　有些應(yīng)用集中于用4個并聯(lián)的μModule穩(wěn)壓器取代單個開關(guān)，這將通過多相同步降低峰值開關(guān)電流。這些開關(guān)是由一個相位變化的時鐘從外部驅(qū)動的。每個開關(guān)的接通時刻之間都是有間隔的，從而在輸入中產(chǎn)生均勻的電流分布。在這種大功率系統(tǒng)中，電壓紋波降低了。同步并聯(lián)穩(wěn)壓器的關(guān)鍵優(yōu)勢是，由于消除了輸入和輸出中的紋波電流，減小了輸入和輸出電容器的尺寸，從而消除了對大容量電容器的需求。

　　圖1所示的設(shè)計(jì)原理圖中采用了凌力爾特公司最新的多相振蕩器LTC6909。這個新振蕩器與以前的LTC6902振蕩器之間的主要差別是，LTC6902最多有4個輸出，而LTC6909有8個輸出、8個相位以及卓越的擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制，這種調(diào)制方法有效提高了電磁兼容性能。

　　 [!--empirenews.page--]電磁干擾特性

　　同樣的設(shè)計(jì)設(shè)置將用作采用LTC6909時的基準(zhǔn)。4相并聯(lián)的μModule系統(tǒng)，在40A時以12V輸入、1.5V輸出運(yùn)行，同時它可正常工作的最大電流高達(dá)48A。多相同步可降低一些EMI，但可能還不足以滿足嚴(yán)格的EMI規(guī)范要求。用一個頻譜分析儀來檢查當(dāng)前系統(tǒng)的頻率諧波。觀察到的基頻和諧波范圍為150kHz~30MHz。分辨帶寬是9kHz。結(jié)果如圖2所示。對單個諧波頻率的觀察表明當(dāng)前系統(tǒng)具體的輸出值。視具體的EMI要求的不同，這些諧波尖峰可能超過規(guī)范要求，無法取得合格證書。

　　LTC6909上的擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制通過連續(xù)改變μModule的時鐘頻率，強(qiáng)制輻射能量分散開以改善EMI，防止該能量停留在任何接收器頻帶內(nèi)。μModule開關(guān)輻射的紋波是產(chǎn)生不需要的頻譜諧波的罪魁禍?zhǔn)?。LTC6909擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制功能通過一個偽隨機(jī)噪聲信號，將能量擴(kuò)展到一個寬的頻帶上，從而降低峰值電磁輻射，以降低諧波幅度。

　　用擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制降低EMI

　　通過控制MOD引腳，LTC6909可以非常容易地設(shè)置擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制。要啟動擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制，MOD引腳處于浮動狀態(tài)，一個頻率(大約700kHz，由一個電阻器設(shè)置)由32個調(diào)制速率分頻。這是一個中間設(shè)置，可以很好地描述擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制。圖3所示為頻譜分析儀上的測試結(jié)果，可以觀察到在諧波頻率上有10dB的幅度降低。

　　令人驚奇的是，對該系統(tǒng)進(jìn)一步的分析表明，在使用擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制時，輸出紋波沒有受到非常大的影響。有和沒有擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制的性能比較如圖4和圖5所示。比較兩圖中的峰峰值，觀察到的變化是很小的。如果仍不信服，可進(jìn)行另一個測試-負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)測試，以進(jìn)一步確證。

　　頗有爭議的一點(diǎn)是，由于擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制的頻率不斷變化，可能使負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)變差。而當(dāng)20A負(fù)載步進(jìn)時，對輸出進(jìn)行的負(fù)載瞬態(tài)測試顯示，擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制根本不影響響應(yīng)時間。響應(yīng)波形的時間和峰峰值都類似。

　　結(jié)語

　　在12V輸入、1.5V輸出、40A、4相μModule DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)采用擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制時，可將EMI降低10dB。這一設(shè)計(jì)降低輸出電容器電壓額定值、降低紋波和降低EMI。實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制型工作模式。