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用扩频调制实现多相振荡器

归档日期:07-14       文本归类:地面遥测装置      文章编辑:爱尚语录

  用扩频调制实现多相振荡器 解放军电子工程学院306室 马国胜解放军炮兵学院无人机教研室 杨鹭怡 引言凌特公司新推出的LTC6902是一款可提供多达四个输出相位的精确、易用,且可采用电阻器进行设置的振荡器。利用一个外部电阻器可设置5kHz至20MHz范围内的任何频率,精度和温度稳定性分别达到了1.5%和40ppm/℃。借助扩频调制(SSFM)和伪随机噪声(PRN)技术可把开关稳压器引起的峰值E

  凌特公司新推出的LTC6902是一款可提供多达四个输出相位的精确、易用,且可采用电阻器进行设置的振荡器。利用一个外部电阻器可设置5kHz至20MHz范围内的任何频率,精度和温度稳定性分别达到了1.5%和40ppm/℃。借助扩频调制(SSFM)和伪随机噪声(PRN)技术可把开关稳压器引起的峰值EMI降低20dB。多相输出可在分布式电源系统中对多达四个稳压器实施同步处理,压缩了所需输入电容器的外形尺寸,并进一步降低了峰值EMI。LTC6902广泛应用在开关电源参考时钟,便携式的电池供电设备,蜂窝电话及时钟开关电容滤波器中。

  LTC6902多相振荡器包含有比较器,主振荡器,分频比为N可编程分频器,四输出的多相电路,9bit移位寄存器,DAC及电流反射电路等。LTC6902的功能框图如图1所示,其外引脚功能如表1所示。

  LTC6902主振荡器的频率范围为0.1MHz~20MHz,但是若其电源电压低于4V ,控制频率高于10MHz ,则精度要受到影响。可编程分频器欲扩展频率大于30MHz,则需要对多相模式进行合理的选择。LTC6902的主振荡器涵盖了200:1的范围,而可编程分频器有10:1的步进(1,10,100)。这个宽频率范围外加上部分可编程分频器,至少有两种解决方案,适应于任何所要求的输出频率。

  应用扩频调制(SSFM)选择最高的分频设置,使主振荡器在最高频率上运行。伪随机信号发生器由主振荡器的时钟控制,在信号的快速传送中,EMC的性能得到很大的改善。表2介绍了应用SSFM的每一个分频设置所对应的输出频率(fOUT)范围。

  注意:20MHz最高频率所对应的电源电压为5V。在低电压2.7V≤ V+ ≤ 4V时,最高额定输出频率为10MHz,表中所有频率均减半。

  对于固定频率输出,SSFM不适用。为了使时钟抖动最小,设置分频器达最高位置以得到最佳工作状态。这里分频器减小了主振荡器的抖动,分频比越高,主振荡器的抖动越小;但为了得到最高频率精度,可编程分频器最好工作在最低的设置上,这样主振荡器工作在最低频率上,频率越低,精度越高,功率也越低。图2显示了与输出频率对应的峰峰抖动曲线-相模式)。在频率精度和抖动两者之间折衷选取,表3列出了每一个分频设置所对应的输出频率范围,在连续频率应用中,频率精度是最主要的条件。

  注意:最高频率是20MHz,所对应的电源电压为5V。10MHz应用于低电压(2.7V≤ V+≤4V )。

  在一些应用中,多相电路也用于强制主振荡器工作在较高频或较低频上。如果该应用要求单一的时钟源,多相电路可能被设置在任何一个给定的模式下,或是最高分频比,或是最低分频比,这样就得到最高或最低主振荡器频率。另外,如应用中要求两相,可选择4-相模式,仅以OUT1和OUT3输出(或选择OUT2和OUT4输出)。

  例如,用四种方法可获得一个500kHz,表4 获得500kHz,2-相的时钟信号。表4列出了一些解决方案。在SSFM应用中,体现最佳EMC性能的首选的解决方案是以主振荡器的频率为20MHz作为最终的选择。在固定频率应用中,首选的解决方案是以主振荡器频率为500kHz作为初始的选择。

  选择合适的分频设置,确定恰当的频率设置电阻。在振荡周期和阻抗之间由于线性关系,满足下列关系:

  在多相模式及分频器为固定的频率应用中,选择合适的RSET,应用SSFM使最大频率偏移fMAX等于fOUT 。

  设置LTC6902的扩频调制百分比比较简单,这里可编程分频器和多模选择对扩展百分比没有影响。计算RSET的值以满足fMAX和扩展的需要,RMOD值由下式决定:

  (注意:固定频率应用时,不需要RMOD,可连接MOD端至GND,SSFM失去作用。)

  RMOD的阻值范围与RSET的相同,在10k~400k 之间,LTC6902可扩展10%~40%。其下限由内部偏移和失配设定,在低扩展百分比上,失配影响较大,计算错误较多,要求扩展增加,实际下限约有5%的扩展;在高扩展百分比上,内部失配影响较小,忽略其它因素的作用,其理论限定值约为100%(fMIN约为零),实际上限扩展约为80%。

  LTC6902起初是为开关控制系统提供准确而稳定的时钟而设计的,尤其是多重开关调节器的系统,这里所有的调节器被交替使用且工作频率相同,这降低了对输入电容的要求,防止产生由多个时钟频率及其谐波组合而成的拍频成分。多相输出带有阻值不超过100 的ON电阻的CMOS驱动器,性能上类似于HCOMS的逻辑输出,适合于直接驱动大多数开关调节器和开关控制器。但是由于LTC6902的主振荡器通过变换器或反相器完成多模输出,很难产生完全一致的同步上升沿(或下降沿),即使LTC6902运用较高扩展百分比也是如此。

  为了获得最佳EMC性能,LTC6902必须启动SSFM功能,其主振荡器以最高频率工作,由主振荡器频率而不是输出频率驱动伪随机调制信号发生器。这给设计中RSET的选择和可编程驱动设置带来一定的灵活性(图4是扩频20%的频谱图)。若主要目的是减小调节期间峰值辐射或干扰信号时,通常选择较快的主振荡器,调节是在严格的带宽下进行的,要求调整速度快于测试带宽或接近于带宽;若其目的是减小系统中对其它电路辐射干扰时,则不太容易得到最佳调整速度。为了确定最佳速度,必须在特殊的系统条件下估算调整速度。开关调节器依靠特殊的同步频率,许多调节器用锁相环(PLL)来实现同步,对于这些器件,PLL滤波器要求有足够的捕捉范围和带宽。

  以最高调节比率工作的LTC6902,其转换频率被部分伺服环路减慢,由一个25kHz的低通滤波器降低了它的频率转换速度。在驱动开关调节器时,这个特点很重要。开关调节器本身有一个带宽为1/10一类的伺服环,但是操作频率能从1/50变化到1/2。当输入时钟频率的转换是在开关调节器的带宽内时,调节器的输出在控制范围内,如果转换太剧烈,超过开关调节器的带宽,调节器的输出将产生一个尖峰跳跃,然后再回到调节范围内。若开关调节器的带宽非常宽,超过25kHz,则不存在任何调节问题。

  输出电压的变化有一个方面是纹波电压造成的,每一个开关调节器在时钟频率上都有一些纹波输出,大量的纹波将会改变调节器的工作频率(迟滞结构的调节器除外)。如果调制信号是三角波,调节器的输出将有振幅受三角波调制的纹波,这个在电源上的重复信号会引起和其它有用信号混合的系统问题,而得到失真的输出。鉴于电感设计和三角波频率的影响,甚至可能产生音频噪声。LTC6902采用伪随机噪声,结果导致调制器的输出纹波受宽带伪随机噪声的调制。另外,伪随机信号重复出现的比率很低,甚至低于音频范围。

  LTC6902可直接驱动许多开关调节器,它使用SSFM技术改善了EMC性能。如果开关调节器的带宽足够,这在大多数情况都不难满足,当产生尖峰电磁感应辐射时必须维持调节器的调整、功效及负载响应。输出的纹波可能有一些增加,但是它对系统影响危害不大。 选择LTC6902时钟可控制多相开关电源,表5显示了LTC6902与稳压器多相结合的应用,使用LTC6902使开关稳压器引起的峰值EMI降低了10倍。低EMI、四步四相电源应用电路如图5所示,LTC6902四相输出同步驱动四个5V/2A降压转换器,设计简单,应用灵活。

  应用LTC6902的扩频振荡器降低了开关电源的EMI,采用两个电阻器即可设置多相振荡器的输出频率及频率扩展,在开关电源参考时钟,便携式的和电池供电设备,蜂窝电话及时钟开关电容滤波器中得到广泛应用。

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