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。

 

 

1.1 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：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。

 

 

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。

 

 

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2：張弛振蕩器

 

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

 

 

本文采用 BCD0.4μm 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100kHz 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。