現(xiàn)代電子系統(tǒng)板裝有 FPGA、DSP、微處理器、存儲(chǔ)器和 ASIC 芯片等 IC。此外，板上還有與聲音和無(wú)線通信相關(guān)的音頻放大器和射頻功率放大器模塊。這種板上的每個(gè)設(shè)備或模塊對(duì)電壓和電流都有不同的要求。因此，在分布式電源架構(gòu)中，這些半導(dǎo)體器件和模塊由各種開(kāi)關(guān)負(fù)載點(diǎn) （POL） DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電，這些轉(zhuǎn)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(gè)或多個(gè)電壓。半導(dǎo)體集成電路和模塊。

　　從單個(gè)電源生成多個(gè)穩(wěn)壓直流輸出電壓會(huì)給直流輸入源帶來(lái)高均方根 （RMS） 電流紋波和噪聲問(wèn)題。為了解決噪聲問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)以額外成本使用輸入濾波。由于每個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器使用不同的開(kāi)關(guān)頻率，因此會(huì)產(chǎn)生 100 Hz 和 23 kHz 之間的拍頻，這會(huì)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(shū)1，描述了如何通過(guò)使用相移技術(shù)防止這些多個(gè)板載 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通時(shí)間重疊來(lái)最小化輸入 RMS 電流紋波和噪聲。實(shí)際上，這種技術(shù)還可以改善 EMI 并消除對(duì)輸入濾波的需求，同時(shí)解決與拍頻相關(guān)的問(wèn)題。

　　本文探討了如何使用相移時(shí)間延遲將多個(gè) 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(zhuǎn)換器源輸入的噪聲性能。它還演示了使用專(zhuān)為此設(shè)計(jì)量身定制的Intersil同步降壓穩(wěn)壓器ISL8018實(shí)施相移時(shí)間延遲技術(shù)。此外，通過(guò)使用同一時(shí)鐘同步多個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，該文章還表明可以從系統(tǒng)中消除拍頻問(wèn)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(zhuǎn)換器。總輸出電流為 24 A，每個(gè)相位轉(zhuǎn)換器經(jīng)過(guò)優(yōu)化以提供 8 A。在使用三個(gè)轉(zhuǎn)換器的相移版本中，每個(gè)轉(zhuǎn)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(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器配置為無(wú)相移和相移。

　　根據(jù)白皮書(shū)，RMS 輸入電流由等式 1 控制：

?（1）

　　其中 n 是相數(shù)，D 是占空比，L 是輸出電感，F(xiàn)s 是開(kāi)關(guān)頻率，k （n，D） 是數(shù)學(xué)底函數(shù)。本質(zhì)上，k（n，D） = floor（n*D），這意味著它基本上返回函數(shù)的最小整數(shù)值。例如，如果有三個(gè)轉(zhuǎn)換器以 50% 的占空比運(yùn)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(jù)使用 RMS 輸入電流公式的計(jì)算，Intersil 設(shè)計(jì)人員生成了 ΔI IN_RMS （n， D） 與占空比的關(guān)系圖，如圖 2 所示。實(shí)際上，ΔI IN_RMS （n， D） 是Intersil 的應(yīng)用經(jīng)理 Tu Bui 解釋說(shuō)，輸出電流和 RMS 輸入電流。Bui 說(shuō)，為了確保準(zhǔn)確性，計(jì)算出的圖已通過(guò)測(cè)量響應(yīng)進(jìn)行了驗(yàn)證。Intersil 的同步降壓穩(wěn)壓器 ISL8018 用于該設(shè)計(jì)，因?yàn)樗峁┝藢?shí)現(xiàn)相移時(shí)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(shí)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(guān)系圖。

　　異相方法的主要優(yōu)點(diǎn)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(huì)增加，從而簡(jiǎn)化濾波器設(shè)計(jì)。

　　表 1：異相操作相對(duì)于同相設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

　　使用降壓穩(wěn)壓器 ISL8018 的 SYNCIN 和 SYNCOUT 功能，用于實(shí)現(xiàn)相移時(shí)間延遲的主/從配置如圖 3 所示。在該方案中，主開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的 SYNCOUT 引腳提供電流脈沖 I SYNC，開(kāi)始于每個(gè)時(shí)鐘周期。電流源在達(dá)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(cè)閾值為 0.9 V。當(dāng) SYNCIN 的每個(gè)上升沿達(dá)到 0.9 V 時(shí)，觸發(fā)其相位的導(dǎo)通脈沖。只需在 SYNCIN 和地之間添加一個(gè)廉價(jià)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(jù)白皮書(shū)，相移時(shí)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(shù)據(jù)表警告說(shuō)，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(nèi)，因此具有 ±1% 嚴(yán)格容差的低成本 NPO 或 C0G 介電級(jí)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(shí)際實(shí)現(xiàn)。如圖所示，可以使用更多或更少的穩(wěn)壓器對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。

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

　　消除拍頻

　　當(dāng)多個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器以不同的開(kāi)關(guān)頻率在同一輸入總線上運(yùn)行且彼此靠近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生可以被系統(tǒng)的音頻放大器進(jìn)一步放大的拍頻，從而在系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾和音頻噪聲，有問(wèn)題。ISL8018 的同步能力可以消除這個(gè)問(wèn)題。

　　圖 5：兩個(gè)閉合轉(zhuǎn)換器的頻率 f 2和 f 1之間的差異導(dǎo)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(gè)轉(zhuǎn)換器的頻率 f 2和 f 1之間的差。白皮書(shū)指出，在沒(méi)有隔離的情況下，拍頻 F b將出現(xiàn)在接地紋波電壓噪聲中（圖 6）。ISL8018 的 SYNC 功能通過(guò)允許使用公共主時(shí)鐘同步 ISL8018 穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。它導(dǎo)致 F b等于 0 Hz，從而消除了系統(tǒng)中的拍頻問(wèn)題。

　　圖 6：由拍頻 F b引起的接地紋波電壓噪聲。

　　簡(jiǎn)而言之，像 ISL8018 這樣的同步降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以輕松實(shí)現(xiàn)相移時(shí)間延遲技術(shù)，以提供一種低成本解決方案來(lái)降低 RMS 輸入電流紋波和噪聲，并消除多個(gè)轉(zhuǎn)換器供電的電路板上的拍頻問(wèn)題相同的輸入總線并以不同的頻率運(yùn)行。對(duì)于稍低的電流（高達(dá) 6 A），制造商建議將ISL8016用于此應(yīng)用。