開關(guān)電源以其小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用于幾乎所有的電子設(shè)備，是當今電子信息產(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通過電源傳輸線或是空間電磁場的方式向外部傳播，造成傳導(dǎo)干擾和輻射干擾[4， 5]。近年來伴隨通訊及控制技術(shù)的發(fā)展，各種高頻數(shù)字電路對開關(guān)電源電磁兼容性(EMC)的要求更加嚴格，如何減小電磁干擾(EMI)已經(jīng)成為開關(guān)電源設(shè)計中的一大難點。

 

目前提出的一些降低開關(guān)電源電磁干擾技術(shù)，例如：PWM 隨機開關(guān)調(diào)制技術(shù)和混沌調(diào)制技術(shù)，電路結(jié)構(gòu)都相對復(fù)雜且實現(xiàn)成本大。本文中所采用的頻率抖動技術(shù)相對以上兩種技術(shù)實現(xiàn)相對簡單，其原理是：通過將固定的開關(guān)工作頻率設(shè)為在一定范圍內(nèi)抖動的頻率，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)計的周期性頻率抖動振蕩器[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，頻率抖動振蕩器由一個張弛振蕩器加上一個頻率抖動模塊構(gòu)成。其工作原理：首先，開關(guān) S1閉合，電流源 I0給電容 Cc充電，充電剛開始時電容 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，當電容上極板電壓 VA大于 BG2時，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，開關(guān) S2導(dǎo)通，電流源 I1給電容Cc放電，當VA減小到小于 BG1時，RS 觸發(fā)器的輸出處于保持狀態(tài)，當VA減小到小于 BG2時，RS 觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)被置為低電平 0 ;于是，開關(guān) S1又閉合開始對 Cc充電，如此周而復(fù)始，得到一個頻率固定的振蕩器。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。頻率抖動控制模塊是通過計數(shù)器來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，從而來達到周期性的改變振蕩器頻率的目的，即實現(xiàn)了振蕩器頻率的抖動。

 

1.2 張弛振蕩器設(shè)計

 

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)成頻率抖動模塊，通過計數(shù)器來不斷切換 MOS 開關(guān)的通斷來改變充、放電電容的大小，實現(xiàn)頻率抖動功能。 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 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，當電壓 VA沖到大于 BG1時，OSC 為高電平1;此時 M2 管截止 M3 管導(dǎo)通，于是對電容 Cc放電，直到VA放電到低于 BG2，OSC 翻轉(zhuǎn)，如此往復(fù)上述過程，即得到了一個頻率固定的張弛振蕩器。此振蕩器的頻率可以通過如下公式推導(dǎo)得到。

 

 

從(4)式可以看出，可以通過改變電容 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)計的周期性頻率抖動振蕩器的中心頻率為100 kHz，抖動范圍為±4 kHz。

 

1.3 頻率抖動控制模塊

 

本文中所設(shè)計的頻率抖動控制模塊是通過計數(shù)器來控制圖 2 中 M6～ M12開關(guān)管的通斷來周期性的改變充放電電容的大小來實現(xiàn)的。頻率抖動控制模塊的電路圖如圖 3 所示，由7 個 D 觸發(fā)器串聯(lián)構(gòu)成 512 分頻觸發(fā)器，第 8 個 D 觸發(fā)器的輸出信號加入到異或門用于實現(xiàn)計數(shù)器 K4，K2，K1，K0加減法計數(shù)切換，保證加入到張弛振蕩器中的電容不會出現(xiàn)瞬時的大容值的變換，從而引起振蕩器的振蕩頻率有過大的變化。本文中所設(shè)計振蕩器的中心頻率為100 kHz，頻率抖動范圍為±4 kHz，頻率從 96 kHz，100 kHz，104 kHz 周期性地變化，頻率抖動周期為 5 ms。

 

 

本文基于 BCD 0.5 μm 25 V 工藝，使用 Cadence Spectre對振蕩器進行仿真。張弛振蕩器未加頻率抖動模塊的仿真結(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。

頻率抖動模塊的輸出仿真波形如圖 5 所示，計數(shù)器 K0，K1，K2，K4實現(xiàn)了加減法交替功能，從而周期性頻率抖動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 分別為對不加頻率抖動和加了頻率抖動進行傅里葉分析的頻譜圖，對比圖 6 和圖 7 可以看出加了頻率抖動電路之后在固定頻率處的頻譜幅值下降了大約11 dB，由此可見頻率抖動電路對減小 EMI 的效果非常明顯。

 

圖3：頻率抖動模塊

 

圖4：張弛振蕩器仿真曲線

 

圖5：頻率抖動模塊

 

圖6：未加頻率抖動的頻譜

 

圖7：加入頻率抖動的頻譜

 

 

本文采用 BCD0.4μm 25 V 工藝設(shè)計了一款周期性的頻率抖動振蕩器，采用張弛振蕩器實現(xiàn)固定頻率振蕩器，通過加減法計數(shù)器控制加入張弛振蕩器中電容的大小來改變振蕩器的頻率，從而使原本集中在固定頻率處的頻譜分散到其它頻率點上。本文所設(shè)計的周期性頻率抖動振蕩器的中心頻率為100 kHz，頻率抖動范圍為±4 kHz，加頻率抖動模塊之后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。該頻率抖動振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，且減小EMI 效果好，在開關(guān)電源芯片設(shè)計中具有非常實用的價值。