用擴(kuò)頻調(diào)制實現(xiàn)多相振蕩器

解放軍電子工程學(xué)院306室 馬國勝
解放軍炮兵學(xué)院無人機(jī)教研室 楊鷺怡

引言

凌特公司新推出的LTC6902是一款可提供多達(dá)四個輸出相位的、易用，且可采用電阻器進(jìn)行設(shè)置的振蕩器。利用一個外部電阻器可設(shè)置5kHz至20MHz范圍內(nèi)的任何頻率，和溫度穩(wěn)定性分別達(dá)到了1.5%和40ppm/℃。借助擴(kuò)頻調(diào)制(SSFM)和偽隨機(jī)噪聲(PRN)技術(shù)可把開關(guān)穩(wěn)壓器引起的峰值EMI降低20dB。多相輸出可在分布式電源系統(tǒng)中對多達(dá)四個穩(wěn)壓器實施同步處理，壓縮了所需輸入電容器的外形尺寸，并進(jìn)一步降低了峰值EMI。LTC6902廣泛應(yīng)用在開關(guān)電源參考時鐘，便攜式的電池供電設(shè)備，蜂窩電話及時鐘開關(guān)電容濾波器中。

LTC6902的特點及引腳功能

LTC6902多相振蕩器包含有比較器，主振蕩器，分頻比為N可編程分頻器，四輸出的多相電路，9bit移位寄存器，DAC及電流反射電路等。LTC6902的功能框圖如圖1所示，其外引腳功能如表1所示。

LTC6902的特點

1)1至4個時鐘輸出相位；

2)0-100%擴(kuò)頻調(diào)制以改善EMC的性質(zhì)；

3)頻率范圍為5kHz~20MHz；

4)采用一個外部電阻器（RSET）來設(shè)置任何頻率；

5)采用一個外部電阻器（RMOD）來設(shè)置頻率擴(kuò)展；

6)400mA供電電流，VS = 3V，1MHz；

7)5kHz ~ 10MHz范圍內(nèi)，頻率誤差≤1.5%（TA = 25℃）

8)5kHz ~ 10MHz范圍內(nèi)，頻率誤差≤2%（TA = 0℃ ~ 70℃）；

9)溫度穩(wěn)定性達(dá) 40ppm/℃；

10)快速起動時間：50ms ~ 1.5ms；

11)100W COMS驅(qū)動輸出；

12)工作電壓范圍為2.7V至5.5V；

13)MSOP-10封裝。

LTC6902引腳說明

LTC6902在應(yīng)用設(shè)計中的設(shè)置及要求

選擇分頻器的設(shè)置及RSET的值

LTC6902主振蕩器的頻率范圍為0.1MHz~20MHz，但是若其電源電壓低于4V ，控制頻率高于10MHz ，則要受到影響。可編程分頻器欲擴(kuò)展頻率大于30MHz，則需要對多相模式進(jìn)行合理的選擇。LTC6902的主振蕩器涵蓋了200:1的范圍，而可編程分頻器有10:1的步進(jìn)(1，10，100)。這個寬頻率范圍外加上部分可編程分頻器，至少有兩種解決方案，適應(yīng)于任何所要求的輸出頻率。

應(yīng)用擴(kuò)頻調(diào)制（SSFM）選擇的分頻設(shè)置，使主振蕩器在頻率上運行。偽隨機(jī)信號發(fā)生器由主振蕩器的時鐘控制，在信號的快速傳送中，EMC的性能得到很大的改善。表2介紹了應(yīng)用SSFM的每一個分頻設(shè)置所對應(yīng)的輸出頻率（fOUT）范圍。

注意：20MHz頻率所對應(yīng)的電源電壓為5V。在低電壓2.7V≤ V+ ≤ 4V時，額定輸出頻率為10MHz，表中所有頻率均減半。

對于固定頻率輸出，SSFM不適用。為了使時鐘抖動，設(shè)置分頻器達(dá)位置以得到工作狀態(tài)。這里分頻器減小了主振蕩器的抖動，分頻比越高，主振蕩器的抖動越??；但為了得到頻率，可編程分頻器工作在的設(shè)置上，這樣主振蕩器工作在頻率上，頻率越低，越高，功率也越低。圖2顯示了與輸出頻率對應(yīng)的峰峰抖動曲線圖（M=1，2-相模式）。在頻率和抖動兩者之間折衷選取，表3列出了每一個分頻設(shè)置所對應(yīng)的輸出頻率范圍，在連續(xù)頻率應(yīng)用中，頻率是主要的條件。

注意：頻率是20MHz，所對應(yīng)的電源電壓為5V。10MHz應(yīng)用于低電壓（2.7V≤ V+≤4V ）。

在一些應(yīng)用中，多相電路也用于強(qiáng)制主振蕩器工作在較高頻或較低頻上。如果該應(yīng)用要求單一的時鐘源，多相電路可能被設(shè)置在任何一個給定的模式下，或是分頻比，或是分頻比，這樣就得到或主振蕩器頻率。另外，如應(yīng)用中要求兩相，可選擇4-相模式，僅以O(shè)UT1和OUT3輸出（或選擇OUT2和OUT4輸出）。

例如，用四種方法可獲得一個500kHz，表4 獲得500kHz，2-相的時鐘信號。表4列出了一些解決方案。在SSFM應(yīng)用中，體現(xiàn)EMC性能的的解決方案是以主振蕩器的頻率為20MHz作為終的選擇。在固定頻率應(yīng)用中，的解決方案是以主振蕩器頻率為500kHz作為初始的選擇。

選擇合適的分頻設(shè)置，確定恰當(dāng)?shù)念l率設(shè)置電阻。在振蕩周期和阻抗之間由于線性關(guān)系，滿足下列關(guān)系：

在多相模式及分頻器為固定的頻率應(yīng)用中，選擇合適的RSET，應(yīng)用SSFM使頻率偏移fMAX等于fOUT 。

設(shè)置擴(kuò)頻調(diào)制擴(kuò)展百分比

設(shè)置LTC6902的擴(kuò)頻調(diào)制百分比比較簡單，這里可編程分頻器和多模選擇對擴(kuò)展百分比沒有影響。計算RSET的值以滿足fMAX和擴(kuò)展的需要，RMOD值由下式?jīng)Q定：

(略)

(注意：固定頻率應(yīng)用時，不需要RMOD，可連接MOD端至GND，SSFM失去作用。)

其中擴(kuò)展百分比由下式?jīng)Q定：

（略）

這里fMAX是頻偏（由RSET設(shè)置），fmim是頻偏。
例如：一個4-相，以20%擴(kuò)展的500kHz時鐘（如圖3所示）。

連接PH端至V+→ 選擇4-相模式，M=4

斷開DIV端 N=10
RSET =10k→設(shè)置fOUT =fMAX =500kHz

RMOD=10k→設(shè)置擴(kuò)展至20%

RMOD的阻值范圍與RSET的相同，在10k~400k 之間，LTC6902可擴(kuò)展10%~40%。其下限由內(nèi)部偏移和失配設(shè)定，在低擴(kuò)展百分比上，失配影響較大，計算錯誤較多，要求擴(kuò)展增加，實際下限約有5%的擴(kuò)展；在高擴(kuò)展百分比上，內(nèi)部失配影響較小，忽略其它因素的作用，其理論限定值約為100%（fMIN約為零），實際上限擴(kuò)展約為80%。

擴(kuò)頻調(diào)制和偽隨機(jī)噪聲技術(shù)的應(yīng)用

LTC6902起初是為開關(guān)控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確而穩(wěn)定的時鐘而設(shè)計的，尤其是多重開關(guān)調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)，這里所有的調(diào)節(jié)器被交替使用且工作頻率相同，這降低了對輸入電容的要求，防止產(chǎn)生由多個時鐘頻率及其諧波組合而成的拍頻成分。多相輸出帶有阻值不超過100 的ON電阻的CMOS驅(qū)動器，性能上類似于HCOMS的邏輯輸出，適合于直接驅(qū)動大多數(shù)開關(guān)調(diào)節(jié)器和開關(guān)控制器。但是由于LTC6902的主振蕩器通過變換器或反相器完成多模輸出，很難產(chǎn)生完全一致的同步上升沿（或下降沿），即使LTC6902運用較高擴(kuò)展百分比也是如此。

為了獲得EMC性能，LTC6902必須啟動SSFM功能，其主振蕩器以頻率工作，由主振蕩器頻率而不是輸出頻率驅(qū)動偽隨機(jī)調(diào)制信號發(fā)生器。這給設(shè)計中RSET的選擇和可編程驅(qū)動設(shè)置帶來一定的靈活性（圖4是擴(kuò)頻20%的頻譜圖）。若主要目的是減小調(diào)節(jié)期間峰值輻射或干擾信號時，通常選擇較快的主振蕩器，調(diào)節(jié)是在嚴(yán)格的帶寬下進(jìn)行的，要求調(diào)整速度快于測試帶寬或接近于帶寬；若其目的是減小系統(tǒng)中對其它電路輻射干擾時，則不太容易得到調(diào)整速度。為了確定速度，必須在特殊的系統(tǒng)條件下估算調(diào)整速度。開關(guān)調(diào)節(jié)器依靠特殊的同步頻率，許多調(diào)節(jié)器用鎖相環(huán)（PLL）來實現(xiàn)同步，對于這些器件，PLL濾波器要求有足夠的捕捉范圍和帶寬。

以調(diào)節(jié)比率工作的LTC6902，其轉(zhuǎn)換頻率被部分伺服環(huán)路減慢，由一個25kHz的低通濾波器降低了它的頻率轉(zhuǎn)換速度。在驅(qū)動開關(guān)調(diào)節(jié)器時，這個特點很重要。開關(guān)調(diào)節(jié)器本身有一個帶寬為1/10一類的伺服環(huán)，但是操作頻率能從1/50變化到1/2。當(dāng)輸入時鐘頻率的轉(zhuǎn)換是在開關(guān)調(diào)節(jié)器的帶寬內(nèi)時，調(diào)節(jié)器的輸出在控制范圍內(nèi)，如果轉(zhuǎn)換太劇烈，超過開關(guān)調(diào)節(jié)器的帶寬，調(diào)節(jié)器的輸出將產(chǎn)生一個尖峰跳躍，然后再回到調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。若開關(guān)調(diào)節(jié)器的帶寬非常寬，超過25kHz，則不存在任何調(diào)節(jié)問題。

輸出電壓的變化有一個方面是紋波電壓造成的，每一個開關(guān)調(diào)節(jié)器在時鐘頻率上都有一些紋波輸出，大量的紋波將會改變調(diào)節(jié)器的工作頻率（遲滯結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器除外）。如果調(diào)制信號是三角波，調(diào)節(jié)器的輸出將有振幅受三角波調(diào)制的紋波，這個在電源上的重復(fù)信號會引起和其它有用信號混合的系統(tǒng)問題，而得到失真的輸出。鑒于電感設(shè)計和三角波頻率的影響，甚至可能產(chǎn)生音頻噪聲。LTC6902采用偽隨機(jī)噪聲，結(jié)果導(dǎo)致調(diào)制器的輸出紋波受寬帶偽隨機(jī)噪聲的調(diào)制。另外，偽隨機(jī)信號重復(fù)出現(xiàn)的比率很低，甚至低于音頻范圍。

LTC6902可直接驅(qū)動許多開關(guān)調(diào)節(jié)器，它使用SSFM技術(shù)改善了EMC性能。如果開關(guān)調(diào)節(jié)器的帶寬足夠，這在大多數(shù)情況都不難滿足，當(dāng)產(chǎn)生尖峰電磁感應(yīng)輻射時必須維持調(diào)節(jié)器的調(diào)整、功效及負(fù)載響應(yīng)。輸出的紋波可能有一些增加，但是它對系統(tǒng)影響危害不大。 選擇LTC6902時鐘可控制多相開關(guān)電源，表5顯示了LTC6902與穩(wěn)壓器多相結(jié)合的應(yīng)用，使用LTC6902使開關(guān)穩(wěn)壓器引起的峰值EMI降低了10倍。低EMI、四步四相電源應(yīng)用電路如圖5所示，LTC6902四相輸出同步驅(qū)動四個5V/2A降壓轉(zhuǎn)換器，設(shè)計簡單，應(yīng)用靈活。

結(jié)束語

應(yīng)用LTC6902的擴(kuò)頻振蕩器降低了開關(guān)電源的EMI，采用兩個電阻器即可設(shè)置多相振蕩器的輸出頻率及頻率擴(kuò)展，在開關(guān)電源參考時鐘，便攜式的和電池供電設(shè)備，蜂窩電話及時鐘開關(guān)電容濾波器中得到廣泛應(yīng)用。