频率抖动技术在开关电源振荡器中的实现

引言

开关电源以其小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于 几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展中不可缺 少的一种电源方式。但是随着开关电源工作频率的不断提 高，高频工作频率中所含有的高频谐波成分将会通过电源传 输线或是空间电磁场的方式向外部传播，造成传导干扰和辐 射干扰。近年来伴随通讯及控制技术的发展，各种高频数 字电路对开关电源电磁兼容性(EMC)的要求更加严格，如何 减小电磁干扰(EMI)已经成为开关电源设计中的一大难点。 目前提出的一些降低开关电源电磁干扰技术，例如：PWM随 机开关调制技术和混沌调制技术，电路结构都相对复杂且实 现成本大。本文中所采用的频率抖动技术相对以上两种技术 实现相对简单，其原理是：通过将固定的开关工作频率设为 在一定范围内抖动的频率，使得本该集中在固定频率处的辐射 频谱分散到所设定的频带范围，以降低辐射电平满足电磁兼 容性的要求。

1周期性频率抖动振荡器

1.1振荡器的系统结构框图

本文所设计的周期性频率抖动振荡器的系统框图如 图1所示。

由图1可以看出，频率抖动振荡器由一个张弛振荡器加 上一个频率抖动模块构成。其工作原理：首先，开关S1闭合, 电流源I给电容Cc充电，充电刚开始时电容Cc上极板的电 压小于BG1和BG2, RS触发器的输出被置为低电平0，当电 容上极板电压Va大于BG2时，RS触发器的输出状态处于保 持状态，直到上极板电压V大于BG1之后RS触发器的输出 翻转被置为高电平1 ;此时，开关S2导通，电流源I1给电容 Cc放电，当Va减小到小于BG1时，RS触发器的输出处于保 持状态，当Va减小到小于BG2时，RS触发器翻转被置为低 电平0 ；于是，开关S1又闭合开始对Cc充电，如此周而复始, 得到一个频率固定的振荡器。图1中的电流源I。、I1的电流相等, 则振荡器的占空比为0.5。频率抖动控制模块是通过计数器来 周期性的切换加入到张弛振荡器中充放电电容的大小，改变 电压Va的充放电速度，从而来达到周期性的改变振荡器频率 的目的，即实现了振荡器频率的抖动。

1.2张弛振荡器设计

张弛振荡器的电路图如图2所示。M0、M1管镜像电 流为图1中的电流源I。，M4、M5镜像电流为图1中的电流源 11，且I°=I1=I。M〜M12和C°、C1、C2、C4构成频率抖动模块, 通过计数器来不断切换MOS开关的通断来改变充、放电电 容的大小，实现频率抖动功能。M13为振荡器提供起振条件, 在电源上电后M13管导通，经过5 us后M13管关断。使电容 上电后上极板电压V瞬间放电将为低电平0, RS触发器置为 0电平，OSC为O电平，m2管导通M3管截止，电流从M,、 M1管流向电容Cc充电，当电压Va冲到大于BG1时，OSC为 高电平1 ；此时M2管截止M3管导通，于是对电容Cc放电, 直到Va放电到低于BG2, OSC翻转，如此往复上述过程，即 得到了一个频率固定的张弛振荡器。此振荡器的频率可以通 过如下公式推导得到。

从（4）式可以看出，可以通过改变电容Co充放电电流 I和电压差值BG2 — BQ能够实现任意频率的振荡器。本文 中所设计的周期性频率抖动振荡器的中心频率为100 kHz,抖 动范围为±4 kHz。

1.3 频率抖动控制模块

本文中所设计的频率抖动控制模块是通过计数器来控制图 2 中 M6 ～ M12 开关管的通断来周期性的改变充放电电容的大小来实现的。频率抖动控制模块的电路图如图 3 所示，由7 个 D 触发器串联构成 512 分频触发器，第 8 个 D 触发器的输出信号加入到异或门用于实现计数器 K4，K2，K1，K0 加减法计数切换，保证加入到张弛振荡器中的电容不会出现瞬时的大容值的变换，从而引起振荡器的振荡频率有过大的变化。本文中所设计振荡器的中心频率为 100 kHz，频率抖动范围为±4 kHz，频率从 96 kHz，100 kHz，104 kHz 周期性地变化，频率抖动周期为 5 ms。

2仿真结果

本文基于 BCD 0.5 um 25 V 工艺，使用 Cadence Spectre 对振荡器进行仿真。张弛振荡器未加频率抖动模块的仿真结 果如图4所示，图中张弛振荡器的振荡频率为100 kHz，占空 比为0.5。

频率抖动模块的输出仿真波形如图5所示，计数器K）， K1，K2, K4实现了加减法交替功能，从而周期性频率抖动振 荡器的振荡频率为平稳的完成周期性的变化。

图6、图7分别为对不加频率抖动和加了频率抖动进行傅 里叶分析的频谱图，对比图6和图7可以看出加了频率抖动电 路之后在固定频率处的频谱幅值下降了大约11 dB，由此可见 频率抖动电路对减小EMI的效果非常明显。

3 结 语

本文采用 BCD0.4μm 25 V 工 艺 设 计了一款周期性的频率抖动振荡器，采用张弛振荡器实现固定频率振荡器，通过加减法计数器控制加入张弛振荡器中电容的大小来改变振荡器的频率，从而使原本集中在固定频率处的频谱分散到其它频率点上。本文所设计的周期性频率抖动振荡器的中心频率为 100 kHz，频率抖动范围为 ±4 kHz，加频率抖动模块之后 100 kHz 处的频谱下降了大约 11 dB，减小电磁干扰的效果非常明显。该频率抖动振荡器结构简单，且减小EMI 效果好，在开关电源芯片设计中具有非常实用的价值。

20211223_61c452b8769da__频率抖动技术在开关电源振荡器中的实现