用扩频调制实现多相振荡器
解放军电子工程学院306室 马国胜
解放军炮兵学院无人机教研室 杨鹭怡
引言
凌特公司新推出的LTC6902是一款可提供多达四个输出相位的精确、易用，且可采用电阻器进行设置的振荡器。利用一个外部电阻器可设置5kHz至 20MHz范围内的任何频率，精度和温度稳定性分别达到了1.5%和40ppm/℃。借助扩频调制(SSFM)和伪随机噪声(PRN)技术可把开关稳压器引起的峰值EMI降低20dB。多相输出可在分布式电源系统中对多达四个稳压器实施同步处理，压缩了所需输入电容器的外形尺寸，并进一步降低了峰值 EMI。LTC6902广泛应用在开关电源参考时钟，便携式的电池供电设备，蜂窝电话及时钟开关电容滤波器中。
LTC6902的特点及引脚功能
LTC6902多相振荡器包含有比较器，主振荡器，分频比为N可编程分频器，四输出的多相电路，9bit移位寄存器，DAC及电流反射电路等。LTC6902的功能框图如图1所示，其外引脚功能如表1所示。
LTC6902的特点
1)1至4个时钟输出相位；
2)0-100%扩频调制以改善EMC的性质；
3)频率范围为5kHz~20MHz；
4)采用一个外部电阻器（RSET）来设置任何频率；
5)采用一个外部电阻器（RMOD）来设置频率扩展；
6)400mA供电电流，VS = 3V，1MHz；
7)5kHz ~ 10MHz范围内，频率误差≤1.5%（TA = 25℃）
8)5kHz ~ 10MHz范围内，频率误差≤2%（TA = 0℃ ~ 70℃）；
9)温度稳定性达 40ppm/℃；
10)快速起动时间：50ms ~ 1.5ms；
11)100W COMS驱动输出；
12)工作电压范围为2.7V至5.5V；
13)MSOP-10封装。
LTC6902引脚说明
LTC6902在应用设计中的设置及要求
选择分频器的设置及RSET的值
LTC6902 主振荡器的频率范围为0.1MHz~20MHz，但是若其电源电压低于4V ，控制频率高于10MHz ，则精度要受到影响。可编程分频器欲扩展频率大于30MHz，则需要对多相模式进行合理的选择。LTC6902的主振荡器涵盖了200:1的范围，而可编程分频器有10:1的步进(1，10，100)。这个宽频率范围外加上部分可编程分频器，至少有两种解决方案，适应于任何所要求的输出频率。
应用扩频调制（SSFM）选择最高的分频设置，使主振荡器在最高频率上运行。伪随机信号发生器由主振荡器的时钟控制，在信号的快速传送中，EMC的性能得到很大的改善。表2介绍了应用SSFM的每一个分频设置所对应的输出频率（fOUT）范围。
注意：20MHz最高频率所对应的电源电压为5V。在低电压2.7V≤ V+ ≤ 4V时，最高额定输出频率为10MHz，表中所有频率均减半。
对于固定频率输出，SSFM不适用。为了使时钟抖动最小，设置分频器达最高位置以得到最佳工作状态。这里分频器减小了主振荡器的抖动，分频比越高，主振荡器的抖动越小；但为了得到最高频率精度，可编程分频器最好工作在最低的设置上，这样主振荡器工作在最低频率上，频率越低，精度越高，功率也越低。图2显示了与输出频率对应的峰峰抖动曲线图（M=1，2-相模式）。在频率精度和抖动两者之间折衷选取，表3列出了每一个分频设置所对应的输出频率范围，在连续频率应用中，频率精度是最主要的条件。
注意：最高频率是20MHz，所对应的电源电压为5V。10MHz应用于低电压（2.7V≤ V+≤4V ）。
在一些应用中，多相电路也用于强制主振荡器工作在较高频或较低频上。如果该应用要求单一的时钟源，多相电路可能被设置在任何一个给定的模式下，或是最高分频比，或是最低分频比，这样就得到最高或最低主振荡器频率。另外，如应用中要求两相，可选择4-相模式，仅以OUT1和OUT3输出（或选择OUT2和 OUT4输出）。
例如，用四种方法可获得一个500kHz，表4 获得500kHz，2-相的时钟信号。表4列出了一些解决方案。在SSFM应用中，体现最佳EMC性能的首选的解决方案是以主振荡器的频率为20MHz作为最终的选择。在固定频率应用中，首选的解决方案是以主振荡器频率为500kHz作为初始的选择。
选择合适的分频设置，确定恰当的频率设置电阻。在振荡周期和阻抗之间由于线性关系，满足下列关系：
在多相模式及分频器为固定的频率应用中，选择合适的RSET，应用SSFM使最大频率偏移fMAX等于fOUT 。
设置扩频调制扩展百分比
设置LTC6902的扩频调制百分比比较简单，这里可编程分频器和多模选择对扩展百分比没有影响。计算RSET的值以满足fMAX和扩展的需要，RMOD值由下式决定：
(略)
(注意：固定频率应用时，不需要RMOD，可连接MOD端至GND，SSFM失去作用。)
其中扩展百分比由下式决定：
（略）
这里fMAX是最大频偏（由RSET设置），fmim是最小频偏。
例如：一个4-相，以20%扩展的500kHz时钟（如图3所示）。
连接PH端至V+→ 选择4-相模式，M=4
断开DIV端 N=10
RSET =10k→设置fOUT =fMAX =500kHz
RMOD=10k→设置扩展至20%
RMOD 的阻值范围与RSET的相同，在10k~400k 之间，LTC6902可扩展10%~40%。其下限由内部偏移和失配设定，在低扩展百分比上，失配影响较大，计算错误较多，要求扩展增加，实际下限约有 5%的扩展；在高扩展百分比上，内部失配影响较小，忽略其它因素的作用，其理论限定值约为100%（fMIN约为零），实际上限扩展约为80%。
扩频调制和伪随机噪声技术的应用
LTC6902 起初是为开关控制系统提供准确而稳定的时钟而设计的，尤其是多重开关调节器的系统，这里所有的调节器被交替使用且工作频率相同，这降低了对输入电容的要求，防止产生由多个时钟频率及其谐波组合而成的拍频成分。多相输出带有阻值不超过100 的ON电阻的CMOS驱动器，性能上类似于HCOMS的逻辑输出，适合于直接驱动大多数开关调节器和开关控制器。但是由于LTC6902的主振荡器通过变换器或反相器完成多模输出，很难产生完全一致的同步上升沿（或下降沿），即使LTC6902运用较高扩展百分比也是如此。
为了获得最佳EMC性能，LTC6902必须启动SSFM功能，其主振荡器以最高频率工作，由主振荡器频率而不是输出频率驱动伪随机调制信号发生器。这给设计中RSET的选择和可编程驱动设置带来一定的灵活性（图4是扩频20%的频谱图）。若主要目的是减小调节期间峰值辐射或干扰信号时，通常选择较快的主振荡器，调节是在严格的带宽下进行的，要求调整速度快于测试带宽或接近于带宽；若其目的是减小系统中对其它电路辐射干扰时，则不太容易得到最佳调整速度。为了确定最佳速度，必须在特殊的系统条件下估算调整速度。开关调节器依靠特殊的同步频率，许多调节器用锁相环（PLL）来实现同步，对于这些器件，PLL滤波器要求有足够的捕捉范围和带宽。
以最高调节比率工作的LTC6902，其转换频率被部分伺服环路减慢，由一个25kHz的低通滤波器降低了它的频率转换速度。在驱动开关调节器时，这个特点很重要。开关调节器本身有一个带宽为1/10一类的伺服环，但是操作频率能从1/50变化到1/2。当输入时钟频率的转换是在开关调节器的带宽内时，调节器的输出在控制范围内，如果转换太剧烈，超过开关调节器的带宽，调节器的输出将产生一个尖峰跳跃，然后再回到调节范围内。若开关调节器的带宽非常宽，超过 25kHz，则不存在任何调节问题。
输出电压的变化有一个方面是纹波电压造成的，每一个开关调节器在时钟频率上都有一些纹波输出，大量的纹波将会改变调节器的工作频率（迟滞结构的调节器除外）。如果调制信号是三角波，调节器的输出将有振幅受三角波调制的纹波，这个在电源上的重复信号会引起和其它有用信号混合的系统问题，而得到失真的输出。鉴于电感设计和三角波频率的影响，甚至可能产生音频噪声。LTC6902采用伪随机噪声，结果导致调制器的输出纹波受宽带伪随机噪声的调制。另外，伪随机信号重复出现的比率很低，甚至低于音频范围。
LTC6902可直接驱动许多开关调节器，它使用SSFM技术改善了EMC性能。如果开关调节器的带宽足够，这在大多数情况都不难满足，当产生尖峰电磁感应辐射时必须维持调节器的调整、功效及负载响应。输出的纹波可能有一些增加，但是它对系统影响危害不大。选择LTC6902时钟可控制多相开关电源，表5显示了LTC6902与稳压器多相结合的应用，使用LTC6902使开关稳压器引起的峰值EMI降低了 10倍。低EMI、四步四相电源应用电路如图5所示，LTC6902四相输出同步驱动四个5V/2A降压转换器，设计简单，应用灵活。
结束语
应用LTC6902的扩频振荡器降低了开关电源的EMI，采用两个电阻器即可设置多相振荡器的输出频率及频率扩展，在开关电源参考时钟，便携式的和电池供电设备，蜂窝电话及时钟开关电容滤波器中得到广泛应用。
本文摘自《世界电子元器件》
