巧用同步开关稳压器,实现电子电路低噪声设计

在当今的电子技术领域,大多数电子电路都对多个电源电压有着需求。回溯到20年前,通用的5V电源电压足以满足TTL逻辑以及系统中其他所有部分的运行需求。然而,随着技术的飞速发展,如今的电子设备变得更为复杂和精密。微控制器的输入/输出(I/O)需要2.5V的电压,其内核则需要0.9V,传感器需要3.3V,像USB接口这样的外部设备更是需要5V的电压支持。为了尽可能地提高能源利用效率,在目前的各个DC-DC转换级应用中,开关稳压器得到了广泛的应用。

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图1展示了一个典型的电源转换架构,从中我们可以看到12V电源轨上分布着各种开关稳压器。当在系统中使用多种不同开关频率的开关稳压器时,在频谱中不仅会出现各自的基频及其谐波,还会出现与不同开关稳压器频率之差相对应的拍频。这些复杂的频率成分会导致开关稳压器输入端产生辐射发射和传导发射问题,进而对整个电子系统的性能产生不利影响。

为了缓解这一问题,让系统中的不同开关稳压器实现同步是一种有效的解决方案。许多DC-DC转换器IC都配备了SYNC引脚,通过向该引脚提供时钟信号,并借助内部锁相环(PLL),可以将每个DC-DC转换器的开关频率设置为所提供的频率。不过,这里就面临一个问题,即这个时钟信号该如何产生呢?

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由于降压转换器会产生输入侧脉冲电流,所以确保它们不会同时从输入源汲取电流是非常有意义的。相移的外部SYNC时钟信号在这里就发挥了重要作用,它能够大大降低开关稳压器输入侧的传导发射。

ADI的LTC6902就是一款专门用于解决这一问题的小型附加时钟发生器。它可以为控制系统中多个开关稳压器的SYNC引脚提供100kHz至20MHz的时钟信号,并且能够以一定的相移分别驱动多达四个开关稳压器的SYNC引脚。更为重要的是,如果有需要,它甚至可以使用可选的展频(SSFM)技术来降低频域中的个别峰值,在某些应用中,通过这一技巧可以满足不同的电磁兼容性(EMC)要求。

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图3展示了图1中采用LTC6902多相振荡器的电源架构,该架构由一个将12V转换为5V的降压转换器产生的5V电压供电。对于开关稳压器而言,如果它们首先使用自己的内部振荡器独立启动,然后再提供外部时钟,一般不会出现问题,详细信息可以在相应开关稳压器的数据手册中找到。

除了4相器件LTC6902之外,ADI还提供2相器件LTC6908和8相器件LTC6909,以满足不同系统的需求。

如果在一片电路板上有多个开关稳压器,要实现低噪声系统设计,除了进行通常的优化操作,如选择合适的开关稳压器IC、优化电路板布局、添加各种滤波器之外,使用额外的时钟模块也可能会带来意想不到的效果。通过合理运用这些方法和技术,可以有效地降低电子电路中的噪声,提高系统的稳定性和可靠性。

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