在筆記本電腦、LCDTV、藍(lán)光DVD以及通訊系統(tǒng)的主板上通常會(huì)用到多個(gè)非隔離的DCDC變換器或LDO，以得到不同的電壓分別給CPU的核及I/O、專用IC及存儲(chǔ)器等芯片供電。為了提高系統(tǒng)的效率，通常幾個(gè)大電流的DCDC變換器直接由輸入的直流電壓供電。由于DCDC變換器的工作頻率高，形成一個(gè)很強(qiáng)的騷擾源，會(huì)產(chǎn)生很高的開關(guān)噪聲，從而會(huì)在電源的輸入端產(chǎn)生差模與共模干擾信號(hào)。對(duì)于共輸入多路DC/DC變換器而言，當(dāng)它們?cè)诳臻g上比較靠近時(shí)，更容易互相干擾，產(chǎn)生差頻的噪聲。本文將以共輸入的二路DC/DC變換器為例，來討論差頻的噪聲產(chǎn)生原因和解決辦法。

　　1、差頻及產(chǎn)生原因

　　圖1是一個(gè)典型的LCDTV應(yīng)用電路，+12V直流輸入電壓通過兩路DC/DC降壓變換器分別輸出+3.3V和+5V的直流電源。+3.3V和+5V分別給LCDTV的模擬電路和數(shù)字電路供電。



　　+3.3V和+5V的電源IC的額定的開關(guān)頻率都是440kHz左右，當(dāng)只有一路DC/DC變換器工作而另外一路DC/DC變換器不工作時(shí)，它們各自的輸出波形都是正常的。+3.3V系統(tǒng)工作的開關(guān)頻率f1=444.8kHz，輸出高頻紋波頻率也是444.8kHz。+5V系統(tǒng)工作的開關(guān)頻率是f2=435.5kHz，輸出高頻紋波頻率也是435.5kHz。兩個(gè)工作頻率和額定工作頻率的偏差都在芯片的偏差允許范圍內(nèi)。

　　如果兩路同時(shí)工作，會(huì)發(fā)現(xiàn)+3.3V輸出有頻率8.3kHz、幅值200mV左右的低頻紋波，而+5V輸出是正常的，并沒有低頻紋波信號(hào)，如圖2所示。CH1是+3.3V電路開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的電壓波形，開關(guān)頻率是f1=444.8kHz；CH3是+5V電路開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的電壓波形，開關(guān)頻率是f2=435.5kHz；CH2是+3.3V電路的輸出電壓低頻紋波，頻率大概是8.3kHz。而這個(gè)8.3kHz的頻率似乎就是這兩路變換器的開關(guān)頻率之差|f1-f2|。所以我們可以假設(shè)，+3.3V電路的輸出電壓紋波出現(xiàn)了差頻干擾信號(hào)。從后面的分析中，可以驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)是成立的。


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


　　但是上面例子中，為什么只在+3.3V輸出電壓波形上產(chǎn)生差頻信號(hào)，而+5V的輸出電壓波形是正常的呢？檢查圖3所示的電路中主要元件的PCB的布局，+3.3V電路的DC/DC變換器的芯片U1是緊挨著+5V電路的電感元件L2。L2電感節(jié)點(diǎn)電壓波形是以440kHz左右的頻率快速變化，因此電感節(jié)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng)輻射。而U1的COMP端是補(bǔ)償腳，它是高阻輸入端，極易受到外界干擾。L2電感節(jié)點(diǎn)處的電壓加在U1的COMP腳上，該信號(hào)就被輸入到芯片U1內(nèi)部，參與反饋控制，因此在輸出出現(xiàn)了差頻干擾信號(hào)。

　　而對(duì)于+5V輸出的電路，U2的COMP端距離+3.3V電路的電感L1很遠(yuǎn)，就不會(huì)發(fā)生近場(chǎng)干擾，因此輸出波形是正常的。為了進(jìn)一步驗(yàn)證我們的結(jié)論，可以來做一下仿真。



　　使用圖1中的+3.3V電路來建模，用SIMPLIS軟件做仿真。首先以正常的、COMP端未被干擾的系統(tǒng)來做下仿真，如圖4所示，COMP端的電壓波形是正常的，輸出電壓紋波也是正常的440kHz的高頻信號(hào)。其次在COMP端疊加上幅值為100mV、占空比為0.275、頻率為450kHz的脈沖信號(hào)，該信號(hào)就是用來模擬L2電感節(jié)點(diǎn)處輻射出來而加在U1的COMP腳上的電壓。

　　仿真結(jié)果如圖5所示，COMP端電壓波形出現(xiàn)了變化，是由于疊加上了脈沖信號(hào)，電壓波形上出現(xiàn)了低頻紋波，因此輸出電壓上也出現(xiàn)了低頻紋波，這個(gè)輸出電壓波形和圖2中的輸出電壓波形非常相似，并且可以看出來這個(gè)低頻紋波的頻率恰好是10kHz，也即|450kHz-440kHz|得來的差頻信號(hào)。由此就驗(yàn)證了之前的假設(shè)，即由于近場(chǎng)干擾，+3.3V電路的輸出電壓中產(chǎn)生了差頻信號(hào)。


　　CH1：Vo  CH2：Vcomp  CH3：VLX



　　CH1：Vo  CH2：Vcomp  CH3：VLX


　　要了解差頻，首先要知道混頻的概念?；祛l電路又叫混頻器（MIX），是利用半導(dǎo)體器件的非線性特性，將兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)混合，取其差頻或和頻，得到所需要的頻率信號(hào)，因此差頻就是兩個(gè)頻率相近但不同的信號(hào)形成的相互干涉信號(hào)的頻率，其值是原先兩個(gè)信號(hào)的頻率之差或之和，這種電路在無線射頻系統(tǒng)中廣泛的使用。在本例的系統(tǒng)中，由于電源產(chǎn)生的差頻干擾是8.3kHz的低頻信號(hào)，容易對(duì)系統(tǒng)中頻率比較接近的音頻和視頻信號(hào)產(chǎn)生干擾，從而影響音頻的質(zhì)量并在圖像中產(chǎn)生水波紋。

　　2、解決方法

　　由于+3.3V輸出電壓上的低頻干擾信號(hào)容易對(duì)系統(tǒng)的音頻和視頻產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重的還會(huì)影響音頻質(zhì)量或者在圖像中產(chǎn)生水波紋，所以一定要想辦法把這個(gè)低頻信號(hào)給去除掉。

　　解決方法有以下幾種：

　?。?）改變PCB布局

　　由于+3.3V輸出的Buck芯片的COMP管腳太接近+5V電路的電感L2，造成近場(chǎng)干擾，因此布局的時(shí)候使COMP腳遠(yuǎn)離電感，如圖6所示。改進(jìn)后的PCB的設(shè)計(jì)布局，U2和L2調(diào)換了位置，這樣的位置對(duì)于U1來說就是安全的，因?yàn)閁1的COMP端不再受L2的干擾了，+3.3V的輸出端完全消除了差頻干擾信號(hào)。



　　（2）使用更高頻率的芯片

　　在本例中，如使用600kHz開關(guān)頻率的Buck芯片來代替U2，在+3.3V輸出上也不再出現(xiàn)低頻紋波信號(hào)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖7所示，+3.3V輸出紋波沒有低頻紋波信號(hào)。因?yàn)樵摰皖l信號(hào)是由差頻即|f1-f2|引起的，如果提高f2到600kHz, 那么|f1-f2|就會(huì)增加，從最開始的8.3kHz增加到幾百kHz, 當(dāng)然低頻紋波就沒有了。


　　（3）加LC濾波器

　　在+3.3V電路輸出再加一級(jí)LC濾波，成為兩階的濾波，也可以衰減低頻紋波，電路如圖8所示?？梢杂肧IMPLIS來做一下仿真，如果要消除10kHz的低頻紋波，以1kHz作為截止頻率：

　　選擇合適的L3和C3的值，仿真波形如圖9所示。CH1是COMP腳的電壓波形，CH2是LC濾波后的輸出電壓波形，CH3是LC濾波前的輸出電壓波形。由圖中可以看出，經(jīng)過LC濾波后，輸出10kHz的低頻紋波不見了，只有幅值30mV、頻率1kHz的低頻紋波，該紋波幅值很小，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)有任何影響，是可以接受的。




　　LC濾波器對(duì)紋波的抑制作用比較明顯，根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構(gòu)成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。但是，這種情況下需要考慮反饋比較電壓的采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)選在LC濾波器之前，輸出電壓會(huì)降低。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€(gè)直流電阻，當(dāng)有電流輸出時(shí)，在電感上會(huì)有壓降產(chǎn)生，導(dǎo)致電源的輸出電壓降低。而且這個(gè)壓降是隨輸出電流變化的。采樣點(diǎn)選在LC濾波器之后，這樣輸出電壓就是我們所希望得到的電壓。但是這樣在電源系統(tǒng)內(nèi)部引入了一個(gè)電感和一個(gè)電容，有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

　?。?）其它方法

　　還有就是采用鎖相環(huán)同步多個(gè)芯片，使它們工作在同樣的頻率，同樣，可以完全消除差頻的干擾。

　　3、結(jié)論

　?。?）共輸入二路或多路DC/DC電路由于空間位置上比較靠近，由于近場(chǎng)耦合，容易產(chǎn)生差頻干擾，從而形成低頻噪聲。

　　（2）設(shè)計(jì)PCB板時(shí)應(yīng)該注意多路之間的位置關(guān)系和地線的安排。由于DC/DC芯片的補(bǔ)償腳是高阻輸入端，易受外界干擾，必須遠(yuǎn)離干擾源。

　?。?）通過使用更高頻率的芯片，或者在輸出端加合適的LC濾波器，還有用鎖相環(huán)同步技術(shù)都可以消除或衰減低頻干擾信號(hào)。