共輸入電壓的DC/DC變換器差頻干擾

滕俊青，丁 宇，劉 松，張之也

（萬代半導(dǎo)體元件（上海）有限公司，上海200070）

在筆記本電腦、LCD TV、藍(lán)光DVD及通信系統(tǒng)的主板上，通常會用到多個DC/DC變換器，以得到不同的電壓，分別給 CPU、I/O、專用 IC、存儲器等芯片供電。為了提高系統(tǒng)的效率，通常幾個大電流的DC/DC變換器直接由輸入的直流電壓供電。由于DC/DC變換器的工作頻率高，形成一個很強(qiáng)的騷擾源，產(chǎn)生很高的開關(guān)噪聲，從而會在電源的輸入端產(chǎn)生差模與共模干擾信號。當(dāng)共輸入多路DC/DC變換器在空間上比較靠近時，更容易互相干擾，產(chǎn)生差頻噪聲。本文將以共輸入的二路DC/DC變換器為例，分析差頻噪聲產(chǎn)生原因和解決辦法。

1 差頻及產(chǎn)生原因

圖1 共輸入二路DC/DC電路圖

圖1所示為典型的LCD TV應(yīng)用電路，+12 V直流輸入電壓通過兩路DC/DC降壓變換器分別輸出+3.3 V和+5 V的直流電源，并分別給LCD TV的模擬電路和數(shù)字電路供電[1-3]。

+3.3 V和+5 V電路的額定開關(guān)頻率均約為440 kHz，當(dāng)只有一路DC/DC變換器工作而另一路DC/DC變換器不工作時，它們的輸出波形都是正常的。+3.3 V系統(tǒng)工作的開關(guān)頻率及輸出高頻紋波頻率均為f1=444.8 kHz。+5 V系統(tǒng)工作的開關(guān)頻率及輸出高頻紋波頻率均為f2=435.5 kHz。兩個工作頻率和額定工作頻率的偏差都在芯片的偏差允許范圍內(nèi)。但如果兩路同時工作，將產(chǎn)生+3.3 V輸出的頻率為8.3 kHz、幅值為200 mV左右的低頻紋波；而+5 V輸出是正常的，并沒有低頻紋波信號。如圖2(a)所示，+3.3 V電路開關(guān)節(jié)點(diǎn) LX處開關(guān)頻率f1=444.8 kHz。+5 V電路開關(guān)節(jié)點(diǎn)LX處的開關(guān)頻率f2=435.5 kHz。+3.3 V電路輸出電壓的低頻紋波頻率約為8.3 kHz，即是這兩路變換器的開關(guān)頻率之差|f1-f2|。由此可見，假設(shè)+3.3 V電路的輸出電壓紋波出現(xiàn)了差頻干擾信號，通過分析就可以驗(yàn)證這個假設(shè)是成立的。

圖2(b)所示的電路中，+3.3 V電路 DC/DC變換器的芯片U1是緊挨著+5 V電路的電感元件L2。L2電感節(jié)點(diǎn)電壓波形是以約440 kHz的頻率快速變化，因此電感節(jié)點(diǎn)處會產(chǎn)生較強(qiáng)的電場輻射。而U1的COMP端是補(bǔ)償腳，它是高阻輸入端，極易受到外界干擾。如果L2電感節(jié)點(diǎn)處的電壓加在U1的COMP腳上，該信號就將被輸入到芯片U1內(nèi)部參與反饋控制，因此在輸出端出現(xiàn)了差頻干擾信號。而對于+5 V輸出的電路，U2的COMP端距離+3.3 V電路的電感L1很遠(yuǎn)，則不會發(fā)生近場干擾，因此輸出波形是正常的。

以圖1中的+3.3 V電路建模，采用SIMPLIS軟件仿真，COMP端正常的電壓波形如圖3(a)所示，輸出電壓紋波也是正常的440 kHz的高頻信號。在COMP端疊加上幅值為 100 mV、占空比(Duty)為 0.275、頻率為 450 kHz的脈沖信號，該信號用來模擬L2電感節(jié)點(diǎn)處輻射出來加在U1 COMP腳上的電壓。仿真結(jié)果如圖3(b)所示，COMP端電壓波形出現(xiàn)了變化，由于疊加了脈沖信號，電壓波形出現(xiàn)了低頻紋波，因此輸出電壓也出現(xiàn)了低頻紋波，輸出電壓波形與圖2中的輸出電壓波形非常相似，并且這個低頻紋波的頻率恰好是10 kHz，即|450 kHz-440 kHz|的差頻信號。由此驗(yàn)證了之前的假設(shè)，即由于近場干擾，+3.3 V電路的輸出電壓中產(chǎn)生了差頻信號。

混頻電路又稱混頻器（MIX），是利用半導(dǎo)體器件的非線性特性將兩個或多個信號混合，取其差頻或和頻，得到所需要的頻率信號[4]。因此差頻就是兩個頻率相近、但不同的信號形成的相互干涉信號的頻率，其值是原先兩個信號的頻率之差。由于產(chǎn)生的差頻干擾是8.3 kHz 的低頻信號，容易對系統(tǒng)的音頻和視頻信號產(chǎn)生干擾，從而影響音頻質(zhì)量并在圖像中產(chǎn)生水波紋。

圖3 系統(tǒng)仿真波形

圖2 電路波形及LAYOUT

2 解決方法

由于+3.3 V輸出電壓上的低頻干擾信號容易對系統(tǒng)的音頻和視頻產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重的還會影響音頻質(zhì)量或者在圖像中產(chǎn)生水波紋，所以應(yīng)去除低頻信號。有以下幾種解決方法：

(1)改變PCB布局。由于+3.3 V電路的BUCK芯片的COMP腳太接近+5 V電路的電感L2，造成近場干擾，因此布局時使COMP腳遠(yuǎn)離電感。圖4所示為改進(jìn)后的LAYOUT布局，U2和L2調(diào)換了位置，這樣的位置對于U1是安全的。因?yàn)閁1的COMP端不再受L2的干擾，因此在+3.3 V的輸出端完全消除了差頻干擾信號。

圖4 改進(jìn)后的電路主要元件LAYOUT位置

(2)使用更高頻率的芯片。如使用600 kHz開關(guān)頻率的BUCK芯片代替U2，使得+3.3 V輸出不再出現(xiàn)低頻紋波信號。因?yàn)樵摰皖l信號是由差頻，即|f1-f2|引起的，如果提高f2到600 kHz,則|f1-f2|就會增加，從最開始的8.3 kHz增加到幾百kHz，消除了低頻紋波。

(3)在+3.3 V電路輸出端再加一級LC濾波，成為兩階濾波，也可以衰減低頻紋波，如圖5(a)所示。可以用SIMPLIS來做仿真，如果要消除10 kHz的低頻紋波，以1 kHz作為截止頻率選擇合適的L3和C3的值，仿真波形如圖5(b)所示。圖中Va是一級濾波后的波形，Vo是兩級濾波后的波形，可以看出，經(jīng)過兩級LC濾波后，輸出10 kHz的低頻紋波消除了，只有幅值30 mV、頻率為1 kHz的低頻紋波，該紋波幅值很小，不會對系統(tǒng)有任何影響，可以接受。

(4)由于LC濾波器對紋波的抑制作用比較明顯，故可根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構(gòu)成濾波電路，一般都能夠很好地減小紋波。但是，這種情況需要考慮反饋比較電壓的采樣點(diǎn)。如果采樣點(diǎn)選在LC濾波器之前，會降低輸出電壓。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€直流電阻，當(dāng)有電流輸出時，在電感上會產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致電源的輸出電壓降低，而且這個壓降是隨輸出電流變化的。把采樣點(diǎn)選在LC濾波器之后，輸出電壓就是希望得到的電壓。但是在電源系統(tǒng)內(nèi)部由于引入了一個電感和一個電容，有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

(5)采用鎖相環(huán)同步多個芯片，使它們工作在同樣的頻率，也可完全消除差頻的干擾。

由于要輸入二路或多路DC/DC變換器，其空間位置比較靠近，形成近場耦合，容易產(chǎn)生差頻干擾，從而形成低頻噪聲。因此在設(shè)計(jì)PCB板時應(yīng)注意多路之間的位置關(guān)系和地線的設(shè)計(jì)。此外，由于DC/DC芯片的補(bǔ)償腳是高阻輸入端，易受外界干擾，必須遠(yuǎn)離干擾源。通過使用更高頻率的芯片，或在輸出端增加合適的LC濾波器，采用鎖相環(huán)同步技術(shù)都可以消除或衰減低頻干擾信號。

圖5 加入LC濾波的電路圖及仿真波形

[1]劉松.汽車電子系統(tǒng)降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)技巧[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2007(5)：111-114.

[2]劉松.Buck變換器輕載時三種工作模式原理及應(yīng)用[J].電力電子技術(shù)，2007，41(11)：75-76.

[3]劉松.Buck變換器電流取樣電阻三種位置的選擇[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2008(2)：111-114.

[4]張肅文，陸兆熊.高頻電子線路(第三版)[M].北京：高等教育出版社，1993.