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新型电源IC可减轻无线手持产品中的噪声干扰问题

上网日期: 2003年11月01日 ?? 作者: Tony Armstrong ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:开关电源? switching power supply? 噪声? noise?

作者:Tony Armstrong

产品市场经理

凌特公司电源事业部

tarmstrong@linear.com

预计全球今年将出货4.3亿部手机、3,000万台笔记本电脑和1,200万部PDA。在所有这些产品中,有两点是共同的:第一,它们都由电池供电;第二,它们都有某种对噪声敏感的射频电路(或附加装置)。由于可靠性和服务质量在很大程度上决定了一款产品能否在市场上取得成功,因此噪声干扰问题自然也就成为设计师最关注的事情之一。

在当代无线手持产品中,开关电源正逐步取代线性稳压器以延长电池使用寿命。但这也使得噪声源(开关电源)和对噪声敏感的电路同时存在于产品中,因而带来了产生干扰的隐患。

传统的解决方案是将噪声源电路远离噪声敏感电路。但对于所有部件都非常紧凑地整合在一起的现代手持设备来说,这种作法已不再可行。而采用屏蔽的方法在成本和体积两方面也都行不通。传统的开关电源将噪声能量集中于一个窄带谐波。不过,如果这些谐波中的一个恰巧与某一敏感频率(例如接收器的中频通频带)一致,就有可能造成干扰。

一个现存的方案

一项一直被成功采用的技术是对直流/直流(DC/DC)转换器的系统时钟进行高频抖动。该方法以及该方法带来的扩展频谱操作,允许通过一个伪随机数序列(PRN)对开关频率进行调制,以消除窄带谐波。本质上,这是将噪声“分散”在整个频率范围内,而不再是集中于特定的谐波上。因扩展频谱噪声的峰值振幅低了很多,干扰被显著抑制了。虽然该技术在过去是以分立器件的方式成功实现的,但随着工艺的进步,扩展频谱技术已能被整合在目前更新的DC/DC转换器中,这可显著地节省空间。。

带扩展频谱操作的单一IC低噪声方案

为理解如何在片上实现扩展频谱操作,我们来参考图1所示的方块图。图1中的双相开关电容充电泵用于对输入电压进行降压得到一个稳定的输出电压。稳压是通过一个外接电阻分压器检测输出电压并根据误差信号调制充电泵输出电流的方式来实现的。一个两相非重叠时钟用于激发这两个充电泵。这两个充电泵并行但彼此异相地工作。在时钟的第一相,来自VIN的电流通过充电泵1的开关,流经外接的浮动电容器1送到VOUT。不但在第一相将电流传送到VOUT,也对此浮动电容器进行充电。在时钟的第二相,浮动电容器1由VOUT被接地,将在时钟的第一相储存的电荷通过充电泵1的开关输送到VOUT。充电泵2工作于相同的方式,但与充电泵1的相位相反。这一双相架构在实现从VIN到VOUT的持续电荷转移的同时,能极大地降低输出和输入噪声。

采用这种开关方法,只有一半的输出电流直接来自VIN,相比传统的低压降(LDO)稳压器可将效率提升50%。

扩展频谱操作是通过根据伪随机数的变化,在一个时钟周期接一个时钟周期的基础上对振荡器频率进行调制来实现的。对工作频率进行仅百分之几的调制就能显著降低峰值和谐波噪声。

传统稳压器操作与扩展频谱操作的对比

当涉及到电磁干扰(EMI)问题时,开关稳压器会显得特别棘手。开关稳压器以一个时钟周期接一个时钟周期方式,将功率从输入转移至输出。在大多数情况下,工作频率或固定或是一个根据输出负载而定的常数。这种转换方法在工作频率(基本)和与工作频率成倍数的一些频率(谐波)上,会产生大量噪声成分。图2a表示一个传统的降压开关稳压器。图2b和2c分别是图2a所示的降压转换器在VIN=3.6V、VIN=1.5V和IOUT=500mA的条件下,该转换器的输出和输入噪声频谱。

凌特公司的LTC3251是实现片上扩展频谱的一种IC。LTC3251是一款输出为500mA的高效、低噪声、无需电感的降压型DC/DC转换器。LTC3251的扩展频谱振荡器被设计成在每一周期产生的时钟脉宽都是随机变化的,但频率范围被限定在1MHz到1.6MHz之间。其好处是将开关噪声分散在一个宽的频率范围内。图3a是LTC3251的一种典型应用电路。图3b和3c分别是LTC3251在图3a应用中VIN=3.6V,VOUT=1.5V及IOUT=500mA条件下的输出和输入噪声频谱。扩展频谱操作的优点包括:仅需原来输出电容一半的容量就能显著降低峰值输出噪声(>20dBm);用原来输入电容十分之一的容量实际上就能消除输入谐波。扩展频谱操作专门用于“连续”模式及输出电流大于约50mA时的突发模式中。

为改善输出电流较低时的效率,LTC3251包含一个突发模式。一个输出电流传感器被用于在所需的输出电流低于一个内部设定门限值(典型值为50mA)时进行检测。当这种情况发生时,该器件关闭内部振荡器并进入低电流工作状态。LTC3251将保持在低电流工作状态,直至输出电压降低至需要另一个电流突发时为止。当输出电流超过50mA时,LTC3251将工作于连续模式。与突发模式电流要倚赖许多因素(电源、开关强度、电容器选择等)的传统充电泵不同,LTC3251的突发电流由突发门限和迟滞设定。这意味着在突发模式下的VOUT纹波电压将是固定的,在输出电容为10(F时,其典型值是15mV。在此情况,工作电流仅为35(A。

为进一步优化针对低输出电流需求的供电电流,LTC3251还有一个超级突发工作模式。该模式与突发工作模式非常相近,但许多内部电路和开关都被关闭,这样能将工作电流进一步降至8(A。在关断模式下,所有片内电路将被关闭,该芯片仅从VIN电源吸入漏电流。LTC3251的MD0和MD1管脚都是门限电压为0.8V的CMOS输入,这就允许用低电压逻辑电平对稳压器进行控制。当模式控制管脚MD0和MD1都为逻辑低电平时,该芯片进入关断状态。

本文小结

为了满足手持设备应用目前对强大功能、无线便携性及合理电池使用寿命的要求,设计师不得不将高效率的开关电源和对噪声敏感的射频电路整合在一起。传统的开关电源架构可以延长电池使用寿命,但可能需要采用代价不菲和颇占空间的滤波或屏蔽措施。现在,带“内置”扩展频谱开关功能的电源IC即使没有这些措施,也能减轻与敏感射频电路间的谐波干扰。另外,这些电源IC具有的小体积、相对高的输出电流和低噪声特性使它们成为空间有限、用电池供电应用的理想选择。






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