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具备展频频率调变的低 EMI DC/DC 负载点开关模式稳压器
 

【作者: Alan Chern,Doug La Porte,Afshin Odabaee】2010年01月07日 星期四

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开关模式DC/DC稳压器对于密集排列的系统电路板而言,由于具备低热损,是目前相当普遍的稳压方法。然而,电流的快速开关、定义不完备的布局、电感等组件的放置和选择,都使此组成电路有可能成为主要的EMI(电磁干扰)来源。



此外,当设计者希望实现电流共享和更高的输出功率,而把多个DC/DC开关模式稳压器并联时,则潜在的干扰和噪声问题还可能更严重。如果所有组件都在类似的频率上工作 (开关),那么电路中多个稳压器合起来产生的能量都集中在一个频率上。这种能量的存在可能成为一个隐忧,尤其如果PC板上其余的IC以及其他系统电路板靠得很近,而易受这种辐射能量的影响时更是如此。



解决上述问题的一个解决方案,是将这种能量扩展到很多频率上,以扩频的方法来降低EMI幅度和强度。这种方案采用了一个展频频率调变(SSFM)频率,旨在使频率保持运动状态。稳固频率是一个供相邻组件和符合性测试设备进行锁定的简易目标,并为它们提供在固定频率频率或其谐波上累积发射讯号能量所需的时间。此外,一种特殊的模块化DC/DC开关模式稳压器系统可以为密集排列的电路板提供大功率、低热量以及低EMI电源解决方案。使用在一个基板上的模块化和预组装DC/DC开关模式稳压器电路的好处是,通过恰当地接地和缩短电流回路、同时在一个宽广开关频率范围内工作来优化布局,并实现锁相功能。就最好结果而言,这类组件应该在一个小封装中包涵所有需要的组件,例如电感、DC/DC稳压器、MOSFET和补偿电路。



现在,一种可用微型模块(µModule)DC/DC开关稳压器(即完整的DC/DC开关稳压器系统级封装)实现的新技术,可实现具低 EMI和低输出及输入涟波电流的大电流模块化负载点稳压器。图一是一个采用4个并联的LTM4601 uModule开关稳压器的系统(4.5V至20V输入,0.6V至5V输出)的例子。共享 12A 最大电流的每个组件都并联放置,从而提供高达48A的输出电流。图二所展示的则是设计原理图。Application Note 119A(AN119A)和Application Note 119B(AN119B)提供了对这个系统的详细说明,它们对了解该原理图的设置会很有帮助,本文将只讨论展频频率调变功能。



《图一 4 个DC/DC uModule稳压器系统均流,以在48A时调节1.5V电压,每个组件高度仅2.8mm,占用 15mm x 15mm电路板面积。每个uModule稳压器仅重 1.7g,具有IC外形尺寸,在电路板组装时,可以非常容易地用任何抓放式(pick-and-place)机器抓取和放置。》



《图二 原理图,简单地并联多个 DC/DC uModule稳压器系统,以实现更高的输出电流。电路板布局就像复制和粘贴每个uModule稳压器的布局一样容易,仅需要非常少的外部组件。》




以4 个uModule稳压器提供48A最大输出电流、1.5V输出电压


如同之前的讨论,集中于用4个并联的uModule稳压器取代单个开关,将透过多相同步降低峰值开关电流。这些开关是由一个相位变化的频率,从外部驱动。每个开关的导通时间都有间隔,并进一步在输入中产生均匀的电流分布。



图三为一清楚实例,说明这些开关如何与频率异相同步,从而将开关时间均匀地分布开。在这个例子中,相移是90o。因此,在这种大功率系统中,电压涟波降低了。对同步并联稳压器的关键好处是,由于消除了输入和输出中的涟波电流,减小了输入和输出电容尺寸,而也去除了对大容量电容的需求。




《图三 标记:绿色为频率,紫色为uModule开关频率,黄色是输出涟波。12VIN、1.5VOUT,uModule开关频率扩展为与频率 90o 异相,由 LTC6909 振荡器同步,这降低了电压涟波,因此降低了最大的电容电压额定值。》 - BigPic:699x505




《图三 标记:绿色为频率,紫色为uModule开关频率,黄色是输出涟波。12VIN、1.5VOUT,uModule开关频率扩展为与频率 90o 异相,由 LTC6909 振荡器同步,这降低了电压涟波,因此降低了最大的电容电压额定值。》 - BigPic:699x505



图四则是一个更新的原理图,其中采用了凌力尔特最新的多相振荡器 LTC6909。与先前的LTC6902振荡器相较,LTC6909增加了输出数量。LTC6902最多有4个输出,而LTC6909则有8个输出、8个相位以及卓越的展频频率调变(SSFM),这种调变方法有效提高了电磁兼容性能。


电磁干扰不再是噩梦同样的设计设置将用作采用LTC6909时的基准,4相并联的uModule系统,在 40A时以 12V输入、1.5V输出运行,尽管可能高达48A的最大值。多相同步可降低一些 EMI,尽管要满足严格的EMI管制规定,这可能还不够充分。用一个频谱分析仪来检查当前系统的频率谐波。观察到的基频和谐波范围为150kHz至30MHz。分辨带宽是9kHz。结果如图五所示。



对单个谐波频率的观察说明当前系统具体的输出值,视具体的EMI要求的不同,这些谐波尖峰可能超过管制规定而无法取得合格证书,不合格的辐射可能成为系统设计者的噩梦。


《图四 150kHz至30MHz输出频率频谱,通常工作模式:12VIN至1.5VOUT,40A 负载。在12VIN至1.5VOUT、40A系统上的频谱分析仪结果,该系统未采用展频频率调变,具有高谐波峰值,可能无法通过EMI测试。》



因此,研究出一个绝招来节省时间和金钱,是极其重要的。LTC6909上的展频频率调变正是这样的绝招。透过连续改变 uModule的频率频率,强制辐射能量转移以改善 EMI,从而防止该能量停留在任何接收器频带内。此外,由于 uModule开关辐射的涟波是产生非必要频谱谐波的罪魁祸首。LTC6909扩展频谱频率调制功能透过一个伪随机噪声讯号,将能量扩展到一个宽广的频带上,从而降低峰值电磁辐射与谐波幅度。


用展频频率调变可降低EMI



透过控制 MOD接脚,设定展频频率调变对LTC6909可说是相当容易。要启动展频频率调变,MOD接脚须处于浮动状态,一个频率 (大约 700kHz,由一个电阻设定) 由 32个调变速率分频。这是一个中间设置,这个设置可以充分描述展频频率调变。由图六可以清楚看见频谱分析仪上的结果,谐波频率上的10dB 降低幅度,令人眼睛一亮。


《图五 150kHz至30MHz输出频率频谱,展频频率调变工作模式:12VIN至 1.5VOUT,40A负载。在12VIN至1.5VOUT、40A系统上的频谱分析仪结果,该系统采用 LTC6909展频频率调变后,降低了谐波峰值,降低幅度为10dB。》






该系统进一步的分析,在使用展频频率调变时,输出涟波所受的影响并不大。图七和图八是进行展频频率调变前后的示意图,比较两者的峰至峰值,观察到的变化是最小的。如果仍有疑问,那么可进行另一个测试―负载瞬时响应测试,以进一步确证。

《图六 输出涟波,通常工作模式,12VIN至1.5VOUT,40A负载》


《图七 具展频谱频调变工作模式的输出涟波,12VIN 至 1.5VOUT,40A负载》






《图八 负载瞬时响应,通常工作模式,12VIN至1.5VOUT,20A负载(信道4“粉色”= 每格10A)》

《图九 具扩展频频率调变工作模式的负载瞬时响应,12VIN至1.5VOUT,20A 负载(信道4“粉色”= 每格10A)》


结论


《图九 具扩展频频率调变工作模式的负载瞬时响应,12VIN至1.5VOUT,20A 负载(信道4“粉色”= 每格10A)》



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