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[技术分享] 共输入电压的DC/DC变换器差频干扰 [复制链接]

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发表于 2017-2-9 09:46:04 |显示全部楼层

作者:滕俊青,张之也,刘松,丁宇


在笔记本电脑、LCDTV、蓝光DVD以及通讯系统的主板上通常会用到多个非隔离的DCDC变换器或LDO,以得到不同的电压分别给CPU的核及I/O、专用IC及存储器等芯片供电。为了提高系统的效率,通常几个大电流的DCDC变换器直接由输入的直流电压供电。由于DCDC变换器的工作频率高,形成一个很强的骚扰源,会产生很高的开关噪声,从而会在电源的输入端产生差模与共模干扰信号。对于共输入多路DC/DC变换器而言,当它们在空间上比较靠近时,更容易互相干扰,产生差频的噪声。本文将以共输入的二路DC/DC变换器为例,来讨论差频的噪声产生原因和解决办法。


1、差频及产生原因


图1是一个典型的LCDTV应用电路,+12V直流输入电压通过两路DC/DC降压变换器分别输出+3.3V和+5V的直流电源。+3.3V和+5V分别给LCDTV的模拟电路和数字电路供电。


共输入电压的DC/DC变换器差频干扰 - OFweek论坛 - 1.webp.jpg

图1:共输入二路DC/DC电路图


+3.3V和+5V的电源IC的额定的开关频率都是440kHz左右,当只有一路DC/DC变换器工作而另外一路DC/DC变换器不工作时,它们各自的输出波形都是正常的。+3.3V系统工作的开关频率f1=444.8kHz,输出高频纹波频率也是444.8kHz。+5V系统工作的开关频率是f2=435.5kHz,输出高频纹波频率也是435.5kHz。两个工作频率和额定工作频率的偏差都在芯片的偏差允许范围内。


如果两路同时工作,会发现+3.3V输出有频率8.3kHz、幅值200mV左右的低频纹波,而+5V输出是正常的,并没有低频纹波信号,如图2所示。CH1是+3.3V电路开关节点处的电压波形,开关频率是f1=444.8kHz;CH3是+5V电路开关节点处的电压波形,开关频率是f2=435.5kHz;CH2是+3.3V电路的输出电压低频纹波,频率大概是8.3kHz。而这个8.3kHz的频率似乎就是这两路变换器的开关频率之差|f1-f2|。所以我们可以假设,+3.3V电路的输出电压纹波出现了差频干扰信号。从后面的分析中,可以验证这个假设是成立的。


共输入电压的DC/DC变换器差频干扰 - OFweek论坛 - 640.webp (1).jpg


CH1:VLX of 3.3V  CH2:Vo ripple of 3.3V  CH3:VLX of 5V

图2:实际电路开关波形


但是上面例子中,为什么只在+3.3V输出电压波形上产生差频信号,而+5V的输出电压波形是正常的呢?检查图3所示的电路中主要元件的PCB的布局,+3.3V电路的DC/DC变换器的芯片U1是紧挨着+5V电路的电感元件L2。L2电感节点电压波形是以440kHz左右的频率快速变化,因此电感节点处会产生较强的电场辐射。而U1的COMP端是补偿脚,它是高阻输入端,极易受到外界干扰。L2电感节点处的电压加在U1的COMP脚上,该信号就被输入到芯片U1内部,参与反馈控制,因此在输出出现了差频干扰信号。


而对于+5V输出的电路,U2的COMP端距离+3.3V电路的电感L1很远,就不会发生近场干扰,因此输出波形是正常的。为了进一步验证我们的结论,可以来做一下仿真。


共输入电压的DC/DC变换器差频干扰 - OFweek论坛 - 640.webp (2).jpg


图3:电路LAYOUT布局


使用图1中的+3.3V电路来建模,用SIMPLIS软件做仿真。首先以正常的、COMP端未被干扰的系统来做下仿真,如图4所示,COMP端的电压波形是正常的,输出电压纹波也是正常的440kHz的高频信号。其次在COMP端叠加上幅值为100mV、占空比为0.275、频率为450kHz的脉冲信号,该信号就是用来模拟L2电感节点处辐射出来而加在U1的COMP脚上的电压。


仿真结果如图5所示,COMP端电压波形出现了变化,是由于叠加上了脉冲信号,电压波形上出现了低频纹波,因此输出电压上也出现了低频纹波,这个输出电压波形和图2中的输出电压波形非常相似,并且可以看出来这个低频纹波的频率恰好是10kHz,也即|450kHz-440kHz|得来的差频信号。由此就验证了之前的假设,即由于近场干扰,+3.3V电路的输出电压中产生了差频信号。


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CH1:Vo  CH2:Vcomp  CH3:VLX

图4:正常系统仿真波形

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CH1:Vo  CH2:Vcomp  CH3:VLX

图5:COMP端出现干扰信号的系统仿真波形


要了解差频,首先要知道混频的概念。混频电路又叫混频器(MIX),是利用半导体器件的非线性特性,将两个或多个信号混合,取其差频或和频,得到所需要的频率信号,因此差频就是两个频率相近但不同的信号形成的相互干涉信号的频率,其值是原先两个信号的频率之差或之和,这种电路在无线射频系统中广泛的使用。在本例的系统中,由于电源产生的差频干扰是8.3kHz的低频信号,容易对系统中频率比较接近的音频和视频信号产生干扰,从而影响音频的质量并在图像中产生水波纹


2、解决方法

由于+3.3V输出电压上的低频干扰信号容易对系统的音频和视频产生干扰,严重的还会影响音频质量或者在图像中产生水波纹,所以一定要想办法把这个低频信号给去除掉。


解决方法有以下几种:


(1)改变PCB布局


由于+3.3V输出的Buck芯片的COMP管脚太接近+5V电路的电感L2,造成近场干扰,因此布局的时候使COMP脚远离电感,如图6所示。改进后的PCB的设计布局,U2和L2调换了位置,这样的位置对于U1来说就是安全的,因为U1的COMP端不再受L2的干扰了,+3.3V的输出端完全消除了差频干扰信号。


共输入电压的DC/DC变换器差频干扰 - OFweek论坛 - 640.webp (5).jpg


6:改进后的PCB布局


(2)使用更高频率的芯片


在本例中,如使用600kHz开关频率的Buck芯片来代替U2,在+3.3V输出上也不再出现低频纹波信号。实际测试结果如图7所示,+3.3V输出纹波没有低频纹波信号。因为该低频信号是由差频即|f1-f2|引起的,如果提高f2到600kHz, 那么|f1-f2|就会增加,从最开始的8.3kHz增加到几百kHz, 当然低频纹波就没有了。


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图7:U2使用600kHz后3.3V输出纹波


(3)加LC滤波器


在+3.3V电路输出再加一级LC滤波,成为两阶的滤波,也可以衰减低频纹波,电路如图8所示。可以用SIMPLIS来做一下仿真,如果要消除10kHz的低频纹波,以1kHz作为截止频率:


选择合适的L3和C3的值,仿真波形如图9所示。CH1是COMP脚的电压波形,CH2是LC滤波后的输出电压波形,CH3是LC滤波前的输出电压波形。由图中可以看出,经过LC滤波后,输出10kHz的低频纹波不见了,只有幅值30mV、频率1kHz的低频纹波,该纹波幅值很小,不会对系统有任何影响,是可以接受的。


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图8:+3.3V输出加LC滤波电路


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图9:LC滤波仿真波形


LC滤波器对纹波的抑制作用比较明显,根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路,一般能够很好的减小纹波。但是,这种情况下需要考虑反馈比较电压的采样点。采样点选在LC滤波器之前,输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻,当有电流输出时,在电感上会有压降产生,导致电源的输出电压降低。而且这个压降是随输出电流变化的。采样点选在LC滤波器之后,这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容,有可能会导致系统不稳定。


(4)其它方法


还有就是采用锁相环同步多个芯片,使它们工作在同样的频率,同样,可以完全消除差频的干扰。


3、结论


(1)共输入二路或多路DC/DC电路由于空间位置上比较靠近,由于近场耦合,容易产生差频干扰,从而形成低频噪声。

(2)设计PCB板时应该注意多路之间的位置关系和地线的安排。由于DC/DC芯片的补偿脚是高阻输入端,易受外界干扰,必须远离干扰源。

(3)通过使用更高频率的芯片,或者在输出端加合适的LC滤波器,还有用锁相环同步技术都可以消除或衰减低频干扰信号。


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