如何使用相移时间延迟将DC/DC 降压稳压器的噪声性能

　　现代电子系统板装有 FPGA、DSP、微处理器、存储器和 ASIC 芯片等 IC。此外，板上还有与声音和无线通信相关的音频放大器和射频功率放大器模块。这种板上的每个设备或模块对电压和电流都有不同的要求。因此，在分布式电源架构中，这些半导体器件和模块由各种开关负载点 （POL） DC/DC 转换器供电，这些转换器从公共总线电压中获取输入，从而为这些器件生成所需的一个或多个电压。半导体集成电路和模块。

　　从单个电源生成多个稳压直流输出电压会给直流输入源带来高均方根 （RMS） 电流纹波和噪声问题。为了解决噪声问题，设计人员通常会以额外成本使用输入滤波。由于每个开关转换器使用不同的开关频率，因此会产生 100 Hz 和 23 kHz 之间的拍频，这会降低系统音频放大器的性能。

　　最近，Intersil 发布了一份白皮书1，描述了如何通过使用相移技术防止这些多个板载 DC/DC 转换器的导通时间重叠来最小化输入 RMS 电流纹波和噪声。实际上，这种技术还可以改善 EMI 并消除对输入滤波的需求，同时解决与拍频相关的问题。

　　本文探讨了如何使用相移时间延迟将多个 DC/DC 降压稳压器组织成主/从配置，以提高这些板载 DC/DC 转换器源输入的噪声性能。它还演示了使用专为此设计量身定制的Intersil同步降压稳压器ISL8018实施相移时间延迟技术。此外，通过使用同一时钟同步多个 DC/DC 转换器，该文章还表明可以从系统中消除拍频问题。

　　主/从配置

　　图 1 显示了为三相解决方案配置为同相和异相的 DC/DC 转换器。总输出电流为 24 A，每个相位转换器经过优化以提供 8 A。在使用三个转换器的相移版本中，每个转换器相移 120°。如果需要，可以添加更多相位以获得更高的输出电流能力。

 

 

　　图 1：三个 DC/DC 转换器配置为无相移和相移。

　　根据白皮书，RMS 输入电流由等式 1 控制：

 

 

 （1）

　　其中 n 是相数，D 是占空比，L 是输出电感，Fs 是开关频率，k （n，D） 是数学底函数。本质上，k（n，D） = floor（n*D），这意味着它基本上返回函数的最小整数值。例如，如果有三个转换器以 50% 的占空比运行，则 n = 3 且 D = 0.25。地板 （n*D） = 地板 （3*0.5） = 地板 （1.5） = 1。同样，如果 n = 3 且 D = 0.25，地板 （3*0.25） = 地板 （0.75） = 1。

　　根据使用 RMS 输入电流公式的计算，Intersil 设计人员生成了 ΔI IN_RMS （n， D） 与占空比的关系图，如图 2 所示。实际上，ΔI IN_RMS （n， D） 是Intersil 的应用经理 Tu Bui 解释说，输出电流和 RMS 输入电流。Bui 说，为了确保准确性，计算出的图已通过测量响应进行了验证。Intersil 的同步降压稳压器 ISL8018 用于该设计，因为它提供了实现相移时间延迟所需的 SYNCIN 和 SYNCOUT 功能。该图表明，相移显着降低了 n = 3 时的 RMS 输入电流纹波。

 

 

　　图 2：RMS 输入电流纹波 ΔI IN_RMS （n，D） 与占空比的关系图。

　　异相方法的主要优点如表 1 所示。除了降低 RMS 输入电流纹波外，相移还可以降低输入电压纹波。输入纹波频率也会增加，从而简化滤波器设计。

 

 

　　表 1：异相操作相对于同相设计的优势。

　　使用降压稳压器 ISL8018 的 SYNCIN 和 SYNCOUT 功能，用于实现相移时间延迟的主/从配置如图 3 所示。在该方案中，主开关稳压器的 SYNCOUT 引脚提供电流脉冲 I SYNC，开始于每个时钟周期。电流源在达到 1 V SYNCOUT 电压后终止并放电至 0 V。从稳压器的 SYNCIN 引脚的检测阈值为 0.9 V。当 SYNCIN 的每个上升沿达到 0.9 V 时，触发其相位的导通脉冲。只需在 SYNCIN 和地之间添加一个廉价的小型电容器，就可以改变 SYNCOUT 电流源的压摆率。

 

 

　　图 3：使用同步降压稳压器 ISL8018 的主从电路图。

　　根据白皮书，相移时间延迟 t（以 ns 为单位）等于 2.8*C PHASE（以 pF 为单位）。但是，制造商的数据表警告说，必须注意包括约 3 pF 至 10 pF 的 PCB 寄生电容。由于该电容在 pF 范围内，因此具有 ±1% 严格容差的低成本 NPO 或 C0G 介电级陶瓷电容器可以满足其需求。因此，相移容差约为 5.12%，Intersil 表示。图 4 显示了使用 ISL8018 稳压器的三相主/从配置的实际实现。如图所示，可以使用更多或更少的稳压器对其进行扩展。

 

 

　　图 4：使用 ISL8018 稳压器的三相主/从配置的实际实现。

　　消除拍频

　　当多个 DC/DC 转换器以不同的开关频率在同一输入总线上运行且彼此靠近时，会产生可以被系统的音频放大器进一步放大的拍频，从而在系统中产生干扰和音频噪声，有问题。ISL8018 的同步能力可以消除这个问题。

 

 

　　图 5：两个闭合转换器的频率 f 2和 f 1之间的差异导致拍频 F b。

　　图 5 显示了拍频 F b ，它是具有相同输入源且非常接近的两个转换器的频率 f 2和 f 1之间的差。白皮书指出，在没有隔离的情况下，拍频 F b将出现在接地纹波电压噪声中（图 6）。ISL8018 的 SYNC 功能通过允许使用公共主时钟同步 ISL8018 稳压器的开关频率来解决这个问题。它导致 F b等于 0 Hz，从而消除了系统中的拍频问题。

 

 

　　图 6：由拍频 F b引起的接地纹波电压噪声。

　　简而言之，像 ISL8018 这样的同步降压 DC/DC 转换器可以轻松实现相移时间延迟技术，以提供一种低成本解决方案来降低 RMS 输入电流纹波和噪声，并消除多个转换器供电的电路板上的拍频问题相同的输入总线并以不同的频率运行。对于稍低的电流（高达 6 A），制造商建议将ISL8016用于此应用。