在筆記本電腦、LCDTV、藍光DVD以及通訊系統(tǒng)的主板上通常會用到多個非隔離的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及存儲器等芯片供電。為了提高系統(tǒng)的效率，通常幾個大電流的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，形成一個很強的騷擾源，會產(chǎn)生很高的開關噪聲，從而會在電源的輸入端產(chǎn)生差模與共模干擾信號。對于共輸入多路DC/DC變換器而言，當它們在空間上比較靠近時，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是一個典型的LCDTV應用電路，+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的額定的開關頻率都是440kHz左右，當只有一路DC/DC變換器工作而另外一路DC/DC變換器不工作時，它們各自的輸出波形都是正常的。+3.3V系統(tǒng)工作的開關頻率f1=444.8kHz，輸出高頻紋波頻率也是444.8kHz。+5V系統(tǒng)工作的開關頻率是f2=435.5kHz，輸出高頻紋波頻率也是435.5kHz。兩個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。

　　如果兩路同時工作，會發(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，如圖2所示。CH1是+3.3V電路開關節(jié)點處的電壓波形，開關頻率是f1=444.8kHz；CH3是+5V電路開關節(jié)點處的電壓波形，開關頻率是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8.3kHz的頻率似乎就是這兩路變換器的開關頻率之差|f1-f2|。所以我們可以假設，+3.3V電路的輸出電壓紋波出現(xiàn)了差頻干擾信號。從后面的分析中，可以驗證這個假設是成立的。


　　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，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)點電壓波形是以440kHz左右的頻率快速變化，因此電感節(jié)點處會產(chǎn)生較強的電場輻射。而U1的COMP端是補償腳，它是高阻輸入端，極易受到外界干擾。L2電感節(jié)點處的電壓加在U1的COMP腳上，該信號就被輸入到芯片U1內部，參與反饋控制，因此在輸出出現(xiàn)了差頻干擾信號。

　　而對于+5V輸出的電路，U2的COMP端距離+3.3V電路的電感L1很遠，就不會發(fā)生近場干擾，因此輸出波形是正常的。為了進一步驗證我們的結論，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。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，該信號就是用來模擬L2電感節(jié)點處輻射出來而加在U1的COMP腳上的電壓。

　　仿真結果如圖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，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低頻紋波的頻率恰好是10kHz，也即|450kHz-440kHz|得來的差頻信號。由此就驗證了之前的假設，即由于近場干擾，+3.3V電路的輸出電壓中產(chǎn)生了差頻信號。


　　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。混頻電路又叫混頻器（MIX），是利用半導體器件的非線性特性，將兩個或多個信號混合，取其差頻或和頻，得到所需要的頻率信號，因此差頻就是兩個頻率相近但不同的信號形成的相互干涉信號的頻率，其值是原先兩個信號的頻率之差或之和，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，容易對系統(tǒng)中頻率比較接近的音頻和視頻信號產(chǎn)生干擾，從而影響音頻的質量并在圖像中產(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容易對系統(tǒng)的音頻和視頻產(chǎn)生干擾，嚴重的還會影響音頻質量或者在圖像中產(chǎn)生水波紋，所以一定要想辦法把這個低頻信號給去除掉。

　　解決方法有以下幾種：

　　（1）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，造成近場干擾，因此布局的時候使COMP腳遠離電感，如圖6所示。改進后的PCB的設計布局，U2和L2調換了位置，這樣的位置對于U1來說就是安全的，因為U1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。



　?。?）使用更高頻率的芯片

　　在本例中，如使用600kHz開關頻率的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。實際測試結果如圖7所示，+3.3V輸出紋波沒有低頻紋波信號。因為該低頻信號是由差頻即|f1-f2|引起的，如果提高f2到600kHz, 那么|f1-f2|就會增加，從最開始的8.3kHz增加到幾百kHz, 當然低頻紋波就沒有了。


　?。?）加LC濾波器

　　在+3.3V電路輸出再加一級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，不會對系統(tǒng)有任何影響，是可以接受的。




　　LC濾波器對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。采樣點選在LC濾波器之前，輸出電壓會降低。因為任何電感都有一個直流電阻，當有電流輸出時，在電感上會有壓降產(chǎn)生，導致電源的輸出電壓降低。而且這個壓降是隨輸出電流變化的。采樣點選在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)內部引入了一個電感和一個電容，有可能會導致系統(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，由于近場耦合，容易產(chǎn)生差頻干擾，從而形成低頻噪聲。

　　（2）設計PCB板時應該注意多路之間的位置關系和地線的安排。由于DC/DC芯片的補償腳是高阻輸入端，易受外界干擾，必須遠離干擾源。

　?。?）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)同步技術都可以消除或衰減低頻干擾信號。