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當(dāng)前位置:首頁(yè) > 物聯(lián)網(wǎng) > 《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》雜志
[導(dǎo)讀]摘 要:介紹了一種基于BCD 0.5 μm 25 V工藝,具有頻率抖動(dòng)功能的開(kāi)關(guān)電源振蕩器的實(shí)現(xiàn)。采用張弛振蕩器產(chǎn)生具有固定頻率的方波信號(hào),然后通過(guò)計(jì)數(shù)器周期性的控制張弛振蕩器中電容的大小,來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩器中振蕩頻率周期性抖動(dòng)。本設(shè)計(jì)中振蕩器頻率圍繞中心頻率±4 kHz抖動(dòng),此技術(shù)可以對(duì)開(kāi)關(guān)電源中的電磁干擾進(jìn)行有效的抑制。

引言

開(kāi)關(guān)電源以其小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于 幾乎所有的電子設(shè)備,是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展中不可缺 少的一種電源方式。但是隨著開(kāi)關(guān)電源工作頻率的不斷提 高,高頻工作頻率中所含有的高頻諧波成分將會(huì)通過(guò)電源傳 輸線(xiàn)或是空間電磁場(chǎng)的方式向外部傳播,造成傳導(dǎo)干擾和輻 射干擾。近年來(lái)伴隨通訊及控制技術(shù)的發(fā)展,各種高頻數(shù) 字電路對(duì)開(kāi)關(guān)電源電磁兼容性(EMC)的要求更加嚴(yán)格,如何 減小電磁干擾(EMI)已經(jīng)成為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的一大難點(diǎn)。 目前提出的一些降低開(kāi)關(guān)電源電磁干擾技術(shù),例如:PWM隨 機(jī)開(kāi)關(guān)調(diào)制技術(shù)和混沌調(diào)制技術(shù),電路結(jié)構(gòu)都相對(duì)復(fù)雜且實(shí) 現(xiàn)成本大。本文中所采用的頻率抖動(dòng)技術(shù)相對(duì)以上兩種技術(shù) 實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單,其原理是:通過(guò)將固定的開(kāi)關(guān)工作頻率設(shè)為 在一定范圍內(nèi)抖動(dòng)的頻率,使得本該集中在固定頻率處的輻射 頻譜分散到所設(shè)定的頻帶范圍,以降低輻射電平滿(mǎn)足電磁兼 容性的要求。

1周期性頻率抖動(dòng)振蕩器

1.1振蕩器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本文所設(shè)計(jì)的周期性頻率抖動(dòng)振蕩器的系統(tǒng)框圖如 圖1所示。

頻率抖動(dòng)技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源振蕩器中的實(shí)現(xiàn)

由圖1可以看出,頻率抖動(dòng)振蕩器由一個(gè)張弛振蕩器加 上一個(gè)頻率抖動(dòng)模塊構(gòu)成。其工作原理:首先,開(kāi)關(guān)S1閉合, 電流源I給電容Cc充電,充電剛開(kāi)始時(shí)電容Cc上極板的電 壓小于BG1和BG2, RS觸發(fā)器的輸出被置為低電平0,當(dāng)電 容上極板電壓Va大于BG2時(shí),RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)處于保 持狀態(tài),直到上極板電壓V大于BG1之后RS觸發(fā)器的輸出 翻轉(zhuǎn)被置為高電平1 ;此時(shí),開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通,電流源I1給電容 Cc放電,當(dāng)Va減小到小于BG1時(shí),RS觸發(fā)器的輸出處于保 持狀態(tài),當(dāng)Va減小到小于BG2時(shí),RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)被置為低 電平0 ;于是,開(kāi)關(guān)S1又閉合開(kāi)始對(duì)Cc充電,如此周而復(fù)始, 得到一個(gè)頻率固定的振蕩器。圖1中的電流源I。、I1的電流相等, 則振蕩器的占空比為0.5。頻率抖動(dòng)控制模塊是通過(guò)計(jì)數(shù)器來(lái) 周期性的切換加入到張弛振蕩器中充放電電容的大小,改變 電壓Va的充放電速度,從而來(lái)達(dá)到周期性的改變振蕩器頻率 的目的,即實(shí)現(xiàn)了振蕩器頻率的抖動(dòng)。

1.2張弛振蕩器設(shè)計(jì)

張弛振蕩器的電路圖如圖2所示。M0、M1管鏡像電 流為圖1中的電流源I。,M4、M5鏡像電流為圖1中的電流源 11,且I°=I1=I。M?M12和C°、C1、C2、C4構(gòu)成頻率抖動(dòng)模塊, 通過(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)不斷切換MOS開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)改變充、放電電 容的大小,實(shí)現(xiàn)頻率抖動(dòng)功能。M13為振蕩器提供起振條件, 在電源上電后M13管導(dǎo)通,經(jīng)過(guò)5 us后M13管關(guān)斷。使電容 上電后上極板電壓V瞬間放電將為低電平0, RS觸發(fā)器置為 0電平,OSC為O電平,m2管導(dǎo)通M3管截止,電流從M,、 M1管流向電容Cc充電,當(dāng)電壓Va沖到大于BG1時(shí),OSC為 高電平1 ;此時(shí)M2管截止M3管導(dǎo)通,于是對(duì)電容Cc放電, 直到Va放電到低于BG2, OSC翻轉(zhuǎn),如此往復(fù)上述過(guò)程,即 得到了一個(gè)頻率固定的張弛振蕩器。此振蕩器的頻率可以通 過(guò)如下公式推導(dǎo)得到。

從(4)式可以看出,可以通過(guò)改變電容Co充放電電流 I和電壓差值BG2 — BQ能夠?qū)崿F(xiàn)任意頻率的振蕩器。本文 中所設(shè)計(jì)的周期性頻率抖動(dòng)振蕩器的中心頻率為100 kHz,抖 動(dòng)范圍為±4 kHz。

1.3 頻率抖動(dòng)控制模塊

本文中所設(shè)計(jì)的頻率抖動(dòng)控制模塊是通過(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)控制圖 2 中 M6 ~ M12 開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)周期性的改變充放電電容的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。頻率抖動(dòng)控制模塊的電路圖如圖 3 所示,由7 個(gè) D 觸發(fā)器串聯(lián)構(gòu)成 512 分頻觸發(fā)器,第 8 個(gè) D 觸發(fā)器的輸出信號(hào)加入到異或門(mén)用于實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器 K4,K2,K1,K0 加減法計(jì)數(shù)切換,保證加入到張弛振蕩器中的電容不會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)的大容值的變換,從而引起振蕩器的振蕩頻率有過(guò)大的變化。本文中所設(shè)計(jì)振蕩器的中心頻率為 100 kHz,頻率抖動(dòng)范圍為±4 kHz,頻率從 96 kHz,100 kHz,104 kHz 周期性地變化,頻率抖動(dòng)周期為 5 ms。

2仿真結(jié)果

本文基于 BCD 0.5 um 25 V 工藝,使用 Cadence Spectre 對(duì)振蕩器進(jìn)行仿真。張弛振蕩器未加頻率抖動(dòng)模塊的仿真結(jié) 果如圖4所示,圖中張弛振蕩器的振蕩頻率為100 kHz,占空 比為0.5。

頻率抖動(dòng)模塊的輸出仿真波形如圖5所示,計(jì)數(shù)器K), K1,K2, K4實(shí)現(xiàn)了加減法交替功能,從而周期性頻率抖動(dòng)振 蕩器的振蕩頻率為平穩(wěn)的完成周期性的變化。

圖6、圖7分別為對(duì)不加頻率抖動(dòng)和加了頻率抖動(dòng)進(jìn)行傅 里葉分析的頻譜圖,對(duì)比圖6和圖7可以看出加了頻率抖動(dòng)電 路之后在固定頻率處的頻譜幅值下降了大約11 dB,由此可見(jiàn) 頻率抖動(dòng)電路對(duì)減小EMI的效果非常明顯。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用 BCD0.4μm 25 V 工 藝 設(shè) 計(jì)了一款周期性的頻率抖動(dòng)振蕩器,采用張弛振蕩器實(shí)現(xiàn)固定頻率振蕩器,通過(guò)加減法計(jì)數(shù)器控制加入張弛振蕩器中電容的大小來(lái)改變振蕩器的頻率,從而使原本集中在固定頻率處的頻譜分散到其它頻率點(diǎn)上。本文所設(shè)計(jì)的周期性頻率抖動(dòng)振蕩器的中心頻率為 100 kHz,頻率抖動(dòng)范圍為 ±4 kHz,加頻率抖動(dòng)模塊之后 100 kHz 處的頻譜下降了大約 11 dB,減小電磁干擾的效果非常明顯。該頻率抖動(dòng)振蕩器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且減小EMI 效果好,在開(kāi)關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)中具有非常實(shí)用的價(jià)值。

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