72655部隊 司朝良 趙慶軍
開關電源自問世以來，以其體積小、損耗小、效率高（一般可達80%以上）等優點，在電源領域得到了快速的發展，其應用范圍也越來越廣泛，開關電源技術已經成為電源領域中的主流技術。但應用在通信、儀器儀表等設備中時，開關電源的開關脈沖及其諧波與與寄生振蕩帶來的電磁干擾（EMI），使得系統中的某些性能或指標有不同程度的下降。如何減小開關電源對系統中其它設備及外界的電磁干擾，一直是電源設計中不可回避的問題。通常情況下，根據傳播路徑的不同，開關電源產生的電磁干擾可以分為傳導干擾和輻射干擾兩大類，傳導干擾沿電源的輸入、輸出線傳播；而輻射干擾屬于射頻干擾，以空間輻射為主。針對傳導干擾和輻射干擾的不同特點，抑制EMI的傳統做法分別是采用濾波和屏蔽技術。只要設計合理，這兩種措施的效果是比較明顯的。但是，在有些場合中，卻很難滿足設計要求。目前，又出現一種降低開關電源EMI的新技術*——擴頻調制技術。擴頻調制技術原本是應用于無線通信領域的一種新技術，但將其應用于開關電源（或DC/DC轉換器）的設計中，能顯著地降低開關電源的EMI，提高開關電源的電磁兼容（EMC）性能。
本文介紹美國凌特（Linear Technology）公司采用擴頻調制技術和偽隨機噪聲技術設計的多相擴頻振蕩器LTC6902的原理，并將其應用于開關電源中，以提高開關電源的EMC性能。
1 LTC6902的性能特點及引腳功能
LTC6902是一款使用方便的低功耗、多相擴頻振蕩器，它能提供丙路的四路相位不同的輸出信號；其振蕩頻率可以通過一個外部電阻（RSET）進行設定，頻率范圍為5kHz～20MHz;它還提供一種可供選用的擴頻調制（即Spread Spectrum Frequency Modulation-SSFM）工作模式，SSFM也由一個外部電阻（RMOD）進行控制。其主要的性能及特點如下：
（1）可編程的2相、3相或4相輸出；
（2）頻率范圍為5kHz～20MHz，由外部電阻RSET設置，最大頻率誤差≤2%。
（3）擴頻調制的頻率擴展度為0～100%，由外部電阻RMOD設置；
（4）啟動時間短，約為50μs～1.5ms之間；
（5）單電源供電：2.7V～5.5V；典型耗電400μ（V+=3V，fout=1MHz時）
（6）溫度穩定性達±40ppm/℃；
（7）采用10腳的MSOP封裝形式。
由于LTC6902具有以上性能及特點，通常用于為開關電源控制芯片或開關穩壓器（如SG1525A系列、LT3430等）提供參考時鐘，最適合于為分布式電源系統中的四個開關穩壓器提供同步時鐘信號，也可以用于便攜式電池供電設備或作為開關電容濾波器的時鐘。
2 LTC6902芯片的工作原理
LTC6902主要由主振蕩器、分頻比可編程的分頻器、固定分頻比為3200的分頻器、偽隨機二進制序列（PRBS）產生器、D/A轉換器以及一個放大器、一個跟隨器和一個鏡像電流源組成，如圖1所示。
TLC6902的主振蕩器頻率f受兩個因素的控制：一是“V+”和“SET”兩只引腳間的電壓差（V+-VSET），二是流入主振蕩器的電流Im。而且符合以下關系式：
f=10MHz·20kΩ·IM/(V+-VSET) (1)
Im=ISET-IMOD (2)
以上兩式中，各變量的意義分別是：VSET為“SET”引腳對地的直流電壓，ISET為流過頻率編程電阻RSET的電流；IMOD為流過擴頻編程電阻RMOD的電流。
2．1 定頻應用
定頻應用指不使用擴頻功能，只將LTC6902作為普通可編程定頻振蕩器使用。此時，芯片的9腳（“MOD”引腳）接地，IMOD為零，IM=ISET成立。
由于：ISET=（V+-VSET）/RSET （3）
所以：f=10MHz·20kΩ/RSET (4)
顯示，此時主振蕩器的振蕩頻率只受外部編程電阻RSET的控制，其頻率范圍為100kHz～20MHz。
主振蕩器的輸出經過可編程分頻器N次分頻后，送往多相選擇輸出電路，分頻比N的值由“DIV”腳的電壓確定。在多相選擇輸出電路中，根據“PH”腳的編程電壓確定給外電路提供2相、3相還是4相的方波（或矩形波）信號。同時，還根據輸出的相數對信號進行M次分頻：2相輸出時，M=1；3相和4相輸出時，M分別等于3和4。這樣，最終從引腳OUT1～OUT4輸出脈沖的頻率為：
fout=(10MHz)/(N·M) ·(20KΩ/RSET) (5)
2.2 擴頻應用
擴頻（SSFM）應用時，振蕩器的頻率受一個偽隨機噪聲（PRN）信號調制，振蕩頻率在一個較寬的范圍內變化，從而把振蕩器的能量擴展到一個寬頻帶內這種擴展作用降低了電磁輻射（EMI）的峰值水平，提高了電磁兼容性能。
頻率擴展的幅度由外部電阻RMOD以及“V+”和“MOD”兩只引腳間的電壓差（V+-VMOD）決定。VMOD是個動態信號，它由一個以VSET為參考的相乘型D/A轉換器產生，D/A轉換器的輸入是7位并行的偽隨機二進制序列（PRBS），該序列碼與（1/5·VSET）相乘后得到VMOD，VMOD以偽隨機噪聲的規律變化。電壓差（V+-VMOD）最小時，IMOD=0，IM=ISET，主振蕩器振蕩器頻率最高，即為由RSET設定的頻率f(見式4)；（V+-VMOD）最大時，IMOD=0.2ISET，IM=0.8ISET，主振蕩器頻率最低（為f的80%）。
根據VMOD與VSET的關系，RSET與RMOD的比值決定頻率擴展的幅度。頻率擴展度的定義如下：
FS（%）=100·（fmax-fmin）/fmax
=20·RSET/RMOD (6)
PRBS碼由一個帶線性反饋的9位移位寄存器產生，每512（2 9）個移位時鐘周期重復一次。移動寄存器的后7位輸出到D/A轉換器用于生成VMOD電壓，輸出波形包括128（2 7）個離散的臺階，每改變一個移位時鐘周期就變化一個臺階。移位寄存器的時鐘由主振蕩器的輸出經3200次分頻后得到。這樣，偽隨機序列每隔（512×3200/f）秒就重復一次。經PRBS調制后的波形與偽隨機噪聲類似。
頻率擴展度越高，則EMI降低越大。因此，實際應用時，盡可能選取更高的振蕩頻率，并將FS值取得較大，其可用范圍約為5%～80%。實踐證明FS在10%～40%范圍內取會值時，綜合效果最佳。
圖2
3 設計與應用
LTC6902常用于驅動開關穩壓器或開關控制器，尤其在分布式電源系統中，多個開關穩壓器工作于同一頻率時，用LTC6902作驅動時鐘源，能夠減少輸入電容的數量，還能避免由于多個時鐘頻率及其諧波的存在而產生的差拍干擾。
為了降低EMI，用LTC6902作為驅動時鐘的開關電源的設計原則和步驟如下：
（1）使LTC6902工作于SSFM模式。
（2）根據電源功率、開關變壓器磁芯尺寸等系統要求或已有條件，設定盡可能高的電源工作頻率。
由于LTC6902工作在SSFM模式時，其內部頻率擴展的步進帶寬大約為25kHz，而開關穩壓器的工作帶寬在工作頻率的1/50到1/2之間變化，典型值為工作頻率的1/10。因此，為使開關穩壓器平穩工作，不產生跳變，要保證其工作頻率最低為250kHz。但電源工作頻率也不是越高越好，因為頻率越高，變壓器損耗增加，效率降低。因此LTC6902適合于中、小功諧振電源系統應用。
（3）確定輸出相數，設定RSET及分頻比N、M的值。
當開關穩壓器工作頻率（LTC6902的fout與之相同）確定以后，根據系統中開關穩壓器的數量，確定LTC6902的輸出相數，分頻比M也隨之確定（參考表1）。
由于LTC6902的偽隨調制信號發生器由主振蕩器頻率驅動，為了達到最好的EMC性能，主振蕩器應工作于盡可能高的頻率。根據這項原則和已有的條件利用公式（5），并參考表1中給定的取值范圍，確定分頻比N和RSET的值。
（4）設定RMOD，確定頻率擴展度FS。
如果單純為了降低峰值輻射，頻率擴展度FS選得越高越好。但若考慮擴展后的信號頻率對系統內其它電路的干擾，必須謹慎選擇頻率擴展度FS，而且可能還要反復試驗，以確定最佳值。
在fout、N、M和RSET以及頻率擴展度FS依次確定后，就可以根據公式（6）計算出RMOD的值。
根據上述設計原則與方法，采用一片LTC6902和兩片LT1310設計了一個具有+5V輸入、兩組+12V輸出的升壓電源電路，其具體電路如圖2所示。
在該電源中，開關穩壓器LT1310的工作頻率為1MHz（關于LT1310的設計，LTC6902的各有關設計值為：M=1、N=10、RSET=20kΩ、RMOD=16kΩ、頻率擴展度為25%。LTC6902輸出兩路互為反相的方波脈沖去同步兩片LT1310的工作。L選用1.5A的高頻幀片功率電感，也可以用φ0.6的漆包線在10mm×6mm×5mm）的環形NXO-1000高頻鐵氧體上繞20圈左右代替；D選用快恢復二極管FR151。
印刷電路板制作時，為減小EMI，在頂層上的空白區域鋪設大面積敷銅作為接地層。最后，用YB4361示波器和HP8596E頻譜分析儀對實際電路進行了評估。測量結果表明，采用擴頻調制后，輸出的白噪聲比普通定頻工作時有所增大，但EMI峰值下降幅度超過了20dB。顯然，利用偽隨機噪聲技術實現擴頻調制，并將這種技術應用于開關電源的設計，對于降低開關電源的EMI是一種非常有效的手段。
