基于μModule DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)低EMI穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

作者：Alan Chern，Doug La Porte，Afshin Odabaee

引言

在密集排列的系統(tǒng)電路板上，開(kāi)關(guān)模式DC/DC穩(wěn)壓器是流行的電壓調(diào)節(jié)方法，因?yàn)檫@種穩(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(gè)DC/DC開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)電流共享和更高的輸出功率時(shí)，潛在的干擾和噪聲問(wèn)題可能惡化。如果所有組件都在類似的頻率工作(切換)，那么電路中多個(gè)穩(wěn)壓器合起來(lái)產(chǎn)生的能量都集中在一個(gè)頻率上。這種能量的存在可能成為一個(gè)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(shí)。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(gè)頻率，從而降低其幅度和強(qiáng)度。

這種方案采用了一個(gè)擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制(SSFM)時(shí)鐘。運(yùn)用擴(kuò)頻方法來(lái)降低EMI，旨在使時(shí)鐘保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。穩(wěn)固時(shí)鐘是一個(gè)供相鄰器件和符合性測(cè)試設(shè)備進(jìn)行鎖定的簡(jiǎn)易目標(biāo)，并為它們提供在固定時(shí)鐘頻率或其諧波上累積發(fā)射信號(hào)能量所需的時(shí)間。此外，一種特殊的模塊化DC/DC開(kāi)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(gè)基片上的模塊化和預(yù)組裝DC/DC開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器電路的好處是，通過(guò)恰當(dāng)?shù)亟拥睾妥畲笙薅鹊乜s短電流環(huán)路，同時(shí)在一個(gè)寬開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)工作來(lái)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(gè)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器(即完整的DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器系統(tǒng)級(jí)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(gè)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(gè)并聯(lián)的μModule穩(wěn)壓器取代單個(gè)開(kāi)關(guān)，這將通過(guò)多相同步降低峰值開(kāi)關(guān)電流。這些開(kāi)關(guān)是由一個(gè)相位變化的時(shí)鐘從外部驅(qū)動(dòng)的。每個(gè)開(kāi)關(guān)的接通時(shí)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(shì)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(duì)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(gè)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(gè)輸出，而LTC6909有8個(gè)輸出、8個(gè)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。

電磁干擾特性

同樣的設(shè)計(jì)設(shè)置將用作采用LTC6909時(shí)的基準(zhǔn)。4相并聯(lián)的μModule系統(tǒng)，在40A時(shí)以12V輸入、1.5V輸出運(yùn)行，同時(shí)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(gè)頻譜分析儀來(lái)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(duì)單個(gè)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(guò)規(guī)范要求，無(wú)法取得合格證書(shū)。

LTC6909上的擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制通過(guò)連續(xù)改變?chǔ)蘉odule的時(shí)鐘頻率，強(qiáng)制輻射能量分散開(kāi)以改善EMI，防止該能量停留在任何接收器頻帶內(nèi)。 μModule開(kāi)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(guò)一個(gè)偽隨機(jī)噪聲信號(hào)，將能量擴(kuò)展到一個(gè)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(guò)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(dòng)擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制，MOD引腳處于浮動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)頻率(大約 700kHz，由一個(gè)電阻器設(shè)置)由32個(gè)調(diào)制速率分頻。這是一個(gè)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(cè)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(duì)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(shí)，輸出紋波沒(méi)有受到非常大的影響。有和沒(méi)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(gè)測(cè)試-負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試，以進(jìn)一步確證。

頗有爭(zhēng)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(shí)，對(duì)輸出進(jìn)行的負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試顯示，擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制根本不影響響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)波形的時(shí)間和峰峰值都類似。

結(jié)語(yǔ)

在12V輸入、1.5V輸出、40A、4相μModule DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)采用擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制時(shí)，可將EMI降低10dB。這一設(shè)計(jì)利用多相同步和擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制，以產(chǎn)生明顯的效果，如降低輸出電容器電壓額定值、降低紋波和降低EMI。此外，擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制非常易于在LTC6909上實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制型工作模式。這個(gè)設(shè)計(jì)非常有效，是一種快速降低電池干擾的方法。

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