共输入电压的DC/DC变换器差频干扰

滕俊青，丁 宇，刘 松，张之也

（万代半导体元件（上海）有限公司，上海200070）

在笔记本电脑、LCD TV、蓝光DVD及通信系统的主板上，通常会用到多个DC/DC变换器，以得到不同的电压，分别给 CPU、I/O、专用 IC、存储器等芯片供电。为了提高系统的效率，通常几个大电流的DC/DC变换器直接由输入的直流电压供电。由于DC/DC变换器的工作频率高，形成一个很强的骚扰源，产生很高的开关噪声，从而会在电源的输入端产生差模与共模干扰信号。当共输入多路DC/DC变换器在空间上比较靠近时，更容易互相干扰，产生差频噪声。本文将以共输入的二路DC/DC变换器为例，分析差频噪声产生原因和解决办法。

1 差频及产生原因

图1 共输入二路DC/DC电路图

图1所示为典型的LCD TV应用电路，+12 V直流输入电压通过两路DC/DC降压变换器分别输出+3.3 V和+5 V的直流电源，并分别给LCD TV的模拟电路和数字电路供电[1-3]。

+3.3 V和+5 V电路的额定开关频率均约为440 kHz，当只有一路DC/DC变换器工作而另一路DC/DC变换器不工作时，它们的输出波形都是正常的。+3.3 V系统工作的开关频率及输出高频纹波频率均为f1=444.8 kHz。+5 V系统工作的开关频率及输出高频纹波频率均为f2=435.5 kHz。两个工作频率和额定工作频率的偏差都在芯片的偏差允许范围内。但如果两路同时工作，将产生+3.3 V输出的频率为8.3 kHz、幅值为200 mV左右的低频纹波；而+5 V输出是正常的，并没有低频纹波信号。如图2(a)所示，+3.3 V电路开关节点 LX处开关频率f1=444.8 kHz。+5 V电路开关节点LX处的开关频率f2=435.5 kHz。+3.3 V电路输出电压的低频纹波频率约为8.3 kHz，即是这两路变换器的开关频率之差|f1-f2|。由此可见，假设+3.3 V电路的输出电压纹波出现了差频干扰信号，通过分析就可以验证这个假设是成立的。

图2(b)所示的电路中，+3.3 V电路 DC/DC变换器的芯片U1是紧挨着+5 V电路的电感元件L2。L2电感节点电压波形是以约440 kHz的频率快速变化，因此电感节点处会产生较强的电场辐射。而U1的COMP端是补偿脚，它是高阻输入端，极易受到外界干扰。如果L2电感节点处的电压加在U1的COMP脚上，该信号就将被输入到芯片U1内部参与反馈控制，因此在输出端出现了差频干扰信号。而对于+5 V输出的电路，U2的COMP端距离+3.3 V电路的电感L1很远，则不会发生近场干扰，因此输出波形是正常的。

以图1中的+3.3 V电路建模，采用SIMPLIS软件仿真，COMP端正常的电压波形如图3(a)所示，输出电压纹波也是正常的440 kHz的高频信号。在COMP端叠加上幅值为 100 mV、占空比(Duty)为 0.275、频率为 450 kHz的脉冲信号，该信号用来模拟L2电感节点处辐射出来加在U1 COMP脚上的电压。仿真结果如图3(b)所示，COMP端电压波形出现了变化，由于叠加了脉冲信号，电压波形出现了低频纹波，因此输出电压也出现了低频纹波，输出电压波形与图2中的输出电压波形非常相似，并且这个低频纹波的频率恰好是10 kHz，即|450 kHz-440 kHz|的差频信号。由此验证了之前的假设，即由于近场干扰，+3.3 V电路的输出电压中产生了差频信号。

混频电路又称混频器（MIX），是利用半导体器件的非线性特性将两个或多个信号混合，取其差频或和频，得到所需要的频率信号[4]。因此差频就是两个频率相近、但不同的信号形成的相互干涉信号的频率，其值是原先两个信号的频率之差。由于产生的差频干扰是8.3 kHz 的低频信号，容易对系统的音频和视频信号产生干扰，从而影响音频质量并在图像中产生水波纹。

图3 系统仿真波形

图2 电路波形及LAYOUT

2 解决方法

由于+3.3 V输出电压上的低频干扰信号容易对系统的音频和视频产生干扰，严重的还会影响音频质量或者在图像中产生水波纹，所以应去除低频信号。有以下几种解决方法：

(1)改变PCB布局。由于+3.3 V电路的BUCK芯片的COMP脚太接近+5 V电路的电感L2，造成近场干扰，因此布局时使COMP脚远离电感。图4所示为改进后的LAYOUT布局，U2和L2调换了位置，这样的位置对于U1是安全的。因为U1的COMP端不再受L2的干扰，因此在+3.3 V的输出端完全消除了差频干扰信号。

图4 改进后的电路主要元件LAYOUT位置

(2)使用更高频率的芯片。如使用600 kHz开关频率的BUCK芯片代替U2，使得+3.3 V输出不再出现低频纹波信号。因为该低频信号是由差频，即|f1-f2|引起的，如果提高f2到600 kHz,则|f1-f2|就会增加，从最开始的8.3 kHz增加到几百kHz，消除了低频纹波。

(3)在+3.3 V电路输出端再加一级LC滤波，成为两阶滤波，也可以衰减低频纹波，如图5(a)所示。可以用SIMPLIS来做仿真，如果要消除10 kHz的低频纹波，以1 kHz作为截止频率选择合适的L3和C3的值，仿真波形如图5(b)所示。图中Va是一级滤波后的波形，Vo是两级滤波后的波形，可以看出，经过两级LC滤波后，输出10 kHz的低频纹波消除了，只有幅值30 mV、频率为1 kHz的低频纹波，该纹波幅值很小，不会对系统有任何影响，可以接受。

(4)由于LC滤波器对纹波的抑制作用比较明显，故可根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般都能够很好地减小纹波。但是，这种情况需要考虑反馈比较电压的采样点。如果采样点选在LC滤波器之前，会降低输出电压。因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会产生压降，导致电源的输出电压降低，而且这个压降是随输出电流变化的。把采样点选在LC滤波器之后，输出电压就是希望得到的电压。但是在电源系统内部由于引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。

(5)采用锁相环同步多个芯片，使它们工作在同样的频率，也可完全消除差频的干扰。

由于要输入二路或多路DC/DC变换器，其空间位置比较靠近，形成近场耦合，容易产生差频干扰，从而形成低频噪声。因此在设计PCB板时应注意多路之间的位置关系和地线的设计。此外，由于DC/DC芯片的补偿脚是高阻输入端，易受外界干扰，必须远离干扰源。通过使用更高频率的芯片，或在输出端增加合适的LC滤波器，采用锁相环同步技术都可以消除或衰减低频干扰信号。

图5 加入LC滤波的电路图及仿真波形

[1]刘松.汽车电子系统降压型DC/DC转换器的设计技巧[J].电子设计应用，2007(5)：111-114.

[2]刘松.Buck变换器轻载时三种工作模式原理及应用[J].电力电子技术，2007，41(11)：75-76.

[3]刘松.Buck变换器电流取样电阻三种位置的选择[J].电子设计应用，2008(2)：111-114.

[4]张肃文，陆兆熊.高频电子线路(第三版)[M].北京：高等教育出版社，1993.