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共输入电压的DC/DC变换器差频干扰
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。
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。
CH1:VLXof3.3VCH2:Vorippleof3.3VCH3:VLXof5V
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
1
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。
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
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