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

盧杰+鄺小飛

摘 要：介紹了一種基于BCD 0.5 μm 25 V工藝，具有頻率抖動(dòng)功能的開(kāi)關(guān)電源振蕩器的實(shí)現(xiàn)。采用張弛振蕩器產(chǎn)生具有固定頻率的方波信號(hào)，然后通過(guò)計(jì)數(shù)器周期性的控制張弛振蕩器中電容的大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩器中振蕩頻率周期性抖動(dòng)。本設(shè)計(jì)中振蕩器頻率圍繞中心頻率±4 kHz抖動(dòng)，此技術(shù)可以對(duì)開(kāi)關(guān)電源中的電磁干擾進(jìn)行有效的抑制。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源;頻率抖動(dòng);張弛振蕩器;電磁干擾

中圖分類號(hào)：TN712 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-1302（2014）12-00-02

0 ?引 ?言

開(kāi)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[1-3]。但是隨著開(kāi)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(guò)電源傳輸線或是空間電磁場(chǎng)的方式向外部傳播，造成傳導(dǎo)干擾和輻射干擾[4， 5]。近年來(lái)伴隨通訊及控制技術(shù)的發(fā)展，各種高頻數(shù)字電路對(duì)開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源電磁干擾技術(shù)，例如：PWM隨機(jī)開(kāi)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(duì)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(duì)以上兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，其原理是：通過(guò)將固定的開(kāi)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[6，7]的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 ?振蕩器系統(tǒng)框圖

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(kāi)關(guān)S1閉合，電流源I0給電容Cc充電，充電剛開(kāi)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 VA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(kāi)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(kāi)關(guān)S1又閉合開(kāi)始對(duì)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I0、 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(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)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(lái)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[8-10]的電路圖如圖2所示。M0、M1管鏡像電流為圖1中的電流源I0，M4、M5鏡像電流為圖1中的電流源I1，且I0=I1=I。M6～M12和C0、C1、C2、C4構(gòu)成頻率抖動(dòng)模塊，通過(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)不斷切換MOS開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)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(guò)5 μs后M13管關(guān)斷。使電容上電后上極板電壓VA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M0、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(duì)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(guò)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(guò)如下公式推導(dǎo)得到。

（1）

（2）

（3）

（4）

從（4）式可以看出，可以通過(guò)改變電容Cc、充放電電流I和電壓差值BG2-BG1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(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)控制圖2中M6～M12開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)周期性的改變充放電電容的大小來(lái)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(hào)加入到異或門(mén)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(guò)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 μm 25 V工藝，使用Cadence Spectre對(duì)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K0，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(duì)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(duì)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(jiàn)頻率抖動(dòng)電路對(duì)減小EMI的效果非常明顯。

圖3 ?頻率抖動(dòng)模塊

圖4 ?張弛振蕩器仿真曲線 ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖5 ?頻率抖動(dòng)模塊

圖6 ?未加頻率抖動(dòng)的頻譜 ? ? ? ? 圖7 ?加入頻率抖動(dòng)的頻譜

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文采用BCD 0.4μm 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(guò)加減法計(jì)數(shù)器控制加入張弛振蕩器中電容的大小來(lái)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(jiǎn)單，且減小EMI效果好，在開(kāi)關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)中具有非常實(shí)用的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[10] RAZAVI B.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].陳貴燦，程軍譯.西安：西安交通大學(xué)，2002.

圖6 ?未加頻率抖動(dòng)的頻譜 ? ? ? ? 圖7 ?加入頻率抖動(dòng)的頻譜

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文采用BCD 0.4μm 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(guò)加減法計(jì)數(shù)器控制加入張弛振蕩器中電容的大小來(lái)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(jiǎn)單，且減小EMI效果好，在開(kāi)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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圖6 ?未加頻率抖動(dòng)的頻譜 ? ? ? ? 圖7 ?加入頻率抖動(dòng)的頻譜

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文采用BCD 0.4μm 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(guò)加減法計(jì)數(shù)器控制加入張弛振蕩器中電容的大小來(lái)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(jiǎn)單，且減小EMI效果好，在開(kāi)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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