如何使用相移時間延遲將DC/DC 降壓穩(wěn)壓器的噪聲性能

　　現代電子系統(tǒng)板裝有 FPGA、DSP、微處理器、存儲器和 ASIC 芯片等 IC。此外，板上還有與聲音和無線通信相關的音頻放大器和射頻功率放大器模塊。這種板上的每個設備或模塊對電壓和電流都有不同的要求。因此，在分布式電源架構中，這些半導體器件和模塊由各種開關負載點 （POL） DC/DC 轉換器供電，這些轉換器從公共總線電壓中獲取輸入，從而為這些器件生成所需的一個或多個電壓。半導體集成電路和模塊。

　　從單個電源生成多個穩(wěn)壓直流輸出電壓會給直流輸入源帶來高均方根 （RMS） 電流紋波和噪聲問題。為了解決噪聲問題，設計人員通常會以額外成本使用輸入濾波。由于每個開關轉換器使用不同的開關頻率，因此會產生 100 Hz 和 23 kHz 之間的拍頻，這會降低系統(tǒng)音頻放大器的性能。

　　最近，Intersil 發(fā)布了一份白皮書1，描述了如何通過使用相移技術防止這些多個板載 DC/DC 轉換器的導通時間重疊來最小化輸入 RMS 電流紋波和噪聲。實際上，這種技術還可以改善 EMI 并消除對輸入濾波的需求，同時解決與拍頻相關的問題。

　　本文探討了如何使用相移時間延遲將多個 DC/DC 降壓穩(wěn)壓器組織成主/從配置，以提高這些板載 DC/DC 轉換器源輸入的噪聲性能。它還演示了使用專為此設計量身定制的Intersil同步降壓穩(wěn)壓器ISL8018實施相移時間延遲技術。此外，通過使用同一時鐘同步多個 DC/DC 轉換器，該文章還表明可以從系統(tǒng)中消除拍頻問題。

　　主/從配置

　　圖 1 顯示了為三相解決方案配置為同相和異相的 DC/DC 轉換器?？傒敵鲭娏鳛?24 A，每個相位轉換器經過優(yōu)化以提供 8 A。在使用三個轉換器的相移版本中，每個轉換器相移 120°。如果需要，可以添加更多相位以獲得更高的輸出電流能力。

　　圖 1：三個 DC/DC 轉換器配置為無相移和相移。

　　根據白皮書，RMS 輸入電流由等式 1 控制：

?（1）

　　其中 n 是相數，D 是占空比，L 是輸出電感，Fs 是開關頻率，k （n，D） 是數學底函數。本質上，k（n，D） = floor（n*D），這意味著它基本上返回函數的最小整數值。例如，如果有三個轉換器以 50% 的占空比運行，則 n = 3 且 D = 0.25。地板 （n*D） = 地板 （3*0.5） = 地板 （1.5） = 1。同樣，如果 n = 3 且 D = 0.25，地板 （3*0.25） = 地板 （0.75） = 1。

　　根據使用 RMS 輸入電流公式的計算，Intersil 設計人員生成了 ΔI IN_RMS （n， D） 與占空比的關系圖，如圖 2 所示。實際上，ΔI IN_RMS （n， D） 是Intersil 的應用經理 Tu Bui 解釋說，輸出電流和 RMS 輸入電流。Bui 說，為了確保準確性，計算出的圖已通過測量響應進行了驗證。Intersil 的同步降壓穩(wěn)壓器 ISL8018 用于該設計，因為它提供了實現相移時間延遲所需的 SYNCIN 和 SYNCOUT 功能。該圖表明，相移顯著降低了 n = 3 時的 RMS 輸入電流紋波。

　　圖 2：RMS 輸入電流紋波 ΔI IN_RMS （n，D） 與占空比的關系圖。

　　異相方法的主要優(yōu)點如表 1 所示。除了降低 RMS 輸入電流紋波外，相移還可以降低輸入電壓紋波。輸入紋波頻率也會增加，從而簡化濾波器設計。

　　表 1：異相操作相對于同相設計的優(yōu)勢。

　　使用降壓穩(wěn)壓器 ISL8018 的 SYNCIN 和 SYNCOUT 功能，用于實現相移時間延遲的主/從配置如圖 3 所示。在該方案中，主開關穩(wěn)壓器的 SYNCOUT 引腳提供電流脈沖 I SYNC，開始于每個時鐘周期。電流源在達到 1 V SYNCOUT 電壓后終止并放電至 0 V。從穩(wěn)壓器的 SYNCIN 引腳的檢測閾值為 0.9 V。當 SYNCIN 的每個上升沿達到 0.9 V 時，觸發(fā)其相位的導通脈沖。只需在 SYNCIN 和地之間添加一個廉價的小型電容器，就可以改變 SYNCOUT 電流源的壓擺率。

　　圖 3：使用同步降壓穩(wěn)壓器 ISL8018 的主從電路圖。

　　根據白皮書，相移時間延遲 t（以 ns 為單位）等于 2.8*C PHASE（以 pF 為單位）。但是，制造商的數據表警告說，必須注意包括約 3 pF 至 10 pF 的 PCB 寄生電容。由于該電容在 pF 范圍內，因此具有 ±1% 嚴格容差的低成本 NPO 或 C0G 介電級陶瓷電容器可以滿足其需求。因此，相移容差約為 5.12%，Intersil 表示。圖 4 顯示了使用 ISL8018 穩(wěn)壓器的三相主/從配置的實際實現。如圖所示，可以使用更多或更少的穩(wěn)壓器對其進行擴展。

　　圖 4：使用 ISL8018 穩(wěn)壓器的三相主/從配置的實際實現。

　　消除拍頻

　　當多個 DC/DC 轉換器以不同的開關頻率在同一輸入總線上運行且彼此靠近時，會產生可以被系統(tǒng)的音頻放大器進一步放大的拍頻，從而在系統(tǒng)中產生干擾和音頻噪聲，有問題。ISL8018 的同步能力可以消除這個問題。

　　圖 5：兩個閉合轉換器的頻率 f 2和 f 1之間的差異導致拍頻 F b。

　　圖 5 顯示了拍頻 F b ，它是具有相同輸入源且非常接近的兩個轉換器的頻率 f 2和 f 1之間的差。白皮書指出，在沒有隔離的情況下，拍頻 F b將出現在接地紋波電壓噪聲中（圖 6）。ISL8018 的 SYNC 功能通過允許使用公共主時鐘同步 ISL8018 穩(wěn)壓器的開關頻率來解決這個問題。它導致 F b等于 0 Hz，從而消除了系統(tǒng)中的拍頻問題。

　　圖 6：由拍頻 F b引起的接地紋波電壓噪聲。

　　簡而言之，像 ISL8018 這樣的同步降壓 DC/DC 轉換器可以輕松實現相移時間延遲技術，以提供一種低成本解決方案來降低 RMS 輸入電流紋波和噪聲，并消除多個轉換器供電的電路板上的拍頻問題相同的輸入總線并以不同的頻率運行。對于稍低的電流（高達 6 A），制造商建議將ISL8016用于此應用。