摘 要： 介紹了多相擴頻" title="擴頻">擴頻振蕩器LTC6902的原理，并將其應用于開關電源" title="開關電源">開關電源中，以提高開關電源的EMC性能。
關鍵詞： 擴頻調制 偽隨機二進制序列 多相振蕩器 電磁干擾
開關電源自問世以來，以其體積小、損耗小、效率高(一般可達80％以上)等優點，在電源領域得到了快速的發展，其應用范圍也越來越廣泛，開關電源技術已經成為電源領域中的主流技術。但應用在通信、儀器儀表等設備中時，開關電源的開關脈沖及其諧波與寄生振蕩帶來的電磁干擾(EMI)，使得系統中的某些性能或指標有不同程度的下降。如何減小開關電源對系統中其它設備及外界的電磁干擾，一直是電源設計中不可回避的問題。通常情況下，根據傳播路徑的不同，開關電源產生的電磁干擾可以分為傳導干擾和輻射干擾兩大類，傳導干擾沿電源的輸入、輸出線傳播；而輻射干擾屬于射頻干擾，以空間輻射為主。針對傳導干擾和輻射干擾的不同特點，抑制EMI的傳統做法分別是采用濾波和屏蔽技術。只要設計合理，這兩種措施的效果是比較明顯的。但是，在有些場合中，卻很難滿足設計要求。目前，又出現一種降低開關電源EMI的新技術——擴頻調制技術。擴頻調制技術原本是應用于無線通信領域中的一種新技術，但將其應用于開關電源(或DC/DC轉換器)的設計中，能顯著地降低開關電源的EMI，提高開關電源的電磁兼容(EMC)性能。
本文介紹美國凌特(Linear Technology)公司采用擴頻調制技術和偽隨機噪聲技術設計的多相擴頻振蕩器LTC6902的原理，并將其應用于開關電源中，以提高開關電源的EMC性能。
1 LTC6902的性能特點及引腳功能
LTC6902是一款使用方便的低功耗、多相擴頻振蕩器，它能提供兩路到四路相位不同的輸出信號；其振蕩頻率可以通過一個外部電阻(RSET)進行設定，頻率范圍為5kHz～20MHz；它還提供一種可供選用的擴頻調制(即Spread Spectrum Frequency Modulation—SSFM)工作模式，SSFM也由一個外部電阻(RMOD)進行控制。其主要的性能及特點如下：
(1)可編程的2相、3相或4相輸出；
(2)頻率范圍為5kHz～20MHz，由外部電阻RSET設置，最大頻率誤差≤2%；
(3)擴頻調制的頻率擴展" title="頻率擴展">頻率擴展度為0～100%，由外部電阻RMOD設置；
(4)啟動時間短，約為50μs～1.5ms之間；
(5)單電源供電：2.7V～5.5V；典型耗電400μA(V+= 3V，fOUT=1MHz時)
(6) 溫度穩定性達± 40ppm/℃；
(7) 采用10腳的MSOP封裝形式。
由于LTC6902具有以上性能及特點，通常用于為開關電源控制芯片或開關穩壓器" title="開關穩壓器">開關穩壓器(如SG1525A系列、LT3430等)提供參考時鐘，最適合于為分布式電源系統中的四個開關穩壓器提供同步時鐘信號，也可以用于便攜式電池供電設備或作為開關電容濾波器的時鐘。
LTC6902的各引腳功能說明見表1。
2 LTC6902芯片的工作原理
LTC6902主要由主振蕩器、分頻" title="分頻">分頻比可編程的分頻器、固定分頻比為3200的分頻器、偽隨機二進制序列(PRBS)產生器、D/A轉換器以及一個放大器、一個跟隨器和一個鏡像電流源組成，如圖1所示。
LTC6902的主振蕩器頻率f受兩個因素的控制：一是“V+”和“SET”兩只引腳間的電壓差(V+-VSET)，二是流入主振蕩器的電流IM。而且符合以下關系式 ：
以上兩式中，各變量的意義分別是：VSET為“SET”引腳對地的直流電壓，ISET為流過頻率編程電阻RSET的電流；IMOD為流過擴頻編程電阻RMOD的電流。
2.1 定頻應用
定頻應用指不使用擴頻功能，只將LTC6902作為普通可編程定頻振蕩器使用。此時，芯片的9腳(“MOD”引腳)接地，IMOD 為零，IM=ISET 成立。
顯然，此時主振蕩器的振蕩頻率只受外部編程電阻RSET的控制，其頻率范圍為100kHz～20MHz。
主振蕩器的輸出經過可編程分頻器N次分頻后，送往多相選擇輸出電路，分頻比N的值由“DIV”腳的電壓確定。在多相選擇輸出電路中，根據“PH”腳的編程電壓確定給外電路提供2相、3相還是4相的方波(或矩形波)信號。同時，還根據輸出的相數對信號進行M次分頻：2相輸出時，M=1；3相和4相輸出時，M分別等于3和4。這樣，最終從引腳OUT1～OUT4輸出脈沖的頻率為：
2.2 擴頻應用
擴頻(SSFM)應用時，振蕩器的頻率受一個偽隨機噪聲(PRN)信號調制，振蕩頻率在一個較寬的范圍內變化，從而把振蕩器的能量擴展到一個寬頻帶內，這種擴展作用降低了電磁輻射(EMI)的峰值水平，提高了電磁兼容性能。
頻率擴展的幅度由外部電阻RMOD以及“V+”和“MOD”兩只引腳間的電壓差(V+ -VMOD)決定。VMOD是個動態信號，它由一個以VSET為參考的相乘型D/A轉換器產生，D/A轉換器的輸入是7位并行的偽隨機二進制序列(PRBS)，該序列碼與(
·VSET)相乘后得到VMOD，VMOD以偽隨機噪聲的規律變化。電壓差(V+ -VMOD)的最小值是0V，最大值為·(V+-VSET)。(V+-VMOD)最小時，IMOD=0，IM=ISET，主振蕩器振蕩頻率最高，即為由RSET設定的頻率f(見式(4))；(V+-VMOD)最大時，IMOD=0.2ISET，IM=0.8ISET, 主振蕩器振蕩頻率最低(為f的80%)。
根據VMOD與VSET的關系，RSET與RMOD的比值決定頻率擴展的幅度。頻率擴展度的定義如下：
PRBS 碼由一個帶線性反饋的9位移位寄存器產生，每512(29)個移位時鐘周期重復一次。移位寄存器的后7位輸出到D/A轉換器用于生成VMOD電壓，輸出波形包括128(27)個離散的臺階，每改變一個移位時鐘周期就變化一個臺階。移位寄存器的時鐘由主振蕩器的輸出經3200次分頻后得到。這樣，偽隨機序列每隔(512×3200/f)秒就重復一次。經PRBS調制后的波形與偽隨機噪聲類似。
頻率擴展度越高，則EMI降低越大。因此，實際應用時，盡可能選取更高的振蕩頻率，并將FS值取得較大，其可用范圍約為5%～80%。實踐證明FS在10%～40%范圍內取值時，綜合效果最佳。
3 設計與應用
LTC6902常用于驅動開關穩壓器或開關控制器，尤其在分布式電源系統中，多個開關穩壓器工作于同一頻率時，用LTC6902作驅動時鐘源，能夠減少輸入電容的數量，還能避免由于多個時鐘頻率及其諧波的存在而產生的差拍干擾。
為了降低EMI，用LTC6902作為驅動時鐘的開關電源的設計原則和步驟如下：
(1)使LTC6902工作于SSFM模式。
(2)根據電源功率、開關變壓器磁芯尺寸等系統要求或已有條件，設定盡可能高的電源工作頻率。
由于LTC6902工作在SSFM模式時，其內部頻率擴展的步進帶寬大約為25kHz，而開關穩壓器的工作帶寬在工作頻率的1/50到1/2之間變化，典型值為工作頻率的1/10。因此，為使開關穩壓器平穩工作，不產生跳變，要保證其工作頻率最低為250kHz。但電源工作頻率也不是越高越好，因為頻率越高，變壓器損耗增加，效率降低。因此LTC6902適合于中、小功率的電源系統應用。
(3)確定輸出相數，設定RSET及分頻比N、M的值。
當開關穩壓器工作頻率(LTC6902的fOUT與之相同)確定以后，根據系統中開關穩壓器的數量，確定LTC6902的輸出相數，分頻比M也隨之確定(參考表1)。
由于LTC6902的偽隨機調制信號發生器由主振蕩器頻率驅動，為了達到最好的EMC性能，主振蕩器應工作于盡可能高的頻率。根據這項原則和已有的條件，利用公式(5)，并參考表1中給定的取值范圍，確定分頻比N和RSET的值。
(4)設定RMOD，確定頻率擴展度FS。
如果單純為了降低峰值輻射，頻率擴展度FS選得越高越好。但若考慮擴展后的信號頻率對系統內其它電路的干擾，必須謹慎選擇頻率擴展度FS，而且可能還要反復試驗，以確定最佳值。
在fOUT、N、M和RSET以及頻率擴展度FS依次確定后，就可以根據公式(6)計算出RMOD的值。
根據上述設計原則與方法，采用一片LTC6902和兩片LT1310設計了一個具有+5V輸入、兩組+12V輸出的升壓電源電路，其具體電路如圖2所示。
在該電源中，開關穩壓器LT1310的工作頻率為1MHz(關于LT1310的設計，請參閱參考文獻2)，LTC6902的各有關設計值為：M=1、N=10、RSET=20kΩ、RMOD=16kΩ、頻率擴展度為25%。LTC6902輸出兩路互為反相的方波脈沖去同步兩片LT1310的工作。L選用1.5A的高頻帖片功率電感，也可以用Φ0.6的漆包線在10mm×6mm×5mm的環型NXO-1000高頻鐵氧體上繞20圈左右代替；D選用快恢復二極管FR151。
印刷電路板制作時，為減小EMI，在頂層上的空白區域鋪設大面積敷銅作為接地層。最后，用YB4361示波器和HP8596E頻譜分析儀對實際電路進行了評估。測量結果表明，采用擴頻調制后，輸出的白噪聲比普通定頻工作時有所增大，但EMI峰值下降幅度超過了20dB。顯然，利用偽隨機噪聲技術實現擴頻調制，并將這種技術應用于開關電源的設計，對于降低開關電源的EMI是一種非常有效的手段。
參考文獻
1 LTC6902 Product Data Sheet. Linear Technology Inc, 2003
2 LTC1310 Product Data Sheet. Linear Technology Inc, 2001
3 王水平，付敏江. 開關穩壓電源. 西安：西安電子科技大學出版社，2001