降低手持無線產品噪聲干擾的新方法

2004年6月B版

　　今年全球預計將銷售超過4.5億部手機、3500萬臺筆記本電腦和1200萬部個人數字助理(PDA)。這些產品有兩點是相同的：第一，它們都采用電池供電；第二，它們都有某種形式的噪聲敏感射頻電路(或附加電路)。很明顯，手機始終都采用敏感的射頻收發器電路，但在PDA和手持計算機中增加此類電路還是最近的事情，這部分是藍牙技術發展推動的結果。同時在此類產品中，開關電源正在逐步取代線性穩壓器以延長電池使用壽命。在產品中同時存在噪聲源(開關電源)和噪聲敏感的電路可能會帶來干擾隱患。

　　傳統解決方案是盡量使噪聲源電路遠離噪聲敏感電路。然而，現在的手持產品中，設計非常緊湊，因此這一方法已經不可行了,而通過增加屏蔽來解決問題在成本和體積兩方面都行不通。傳統開關電源的噪聲能量主要以集中的窄帶諧波形式表現出來，然而，如果這些諧波中的某個恰巧與某一敏感頻率(例如接收器的中頻通頻帶)一致或非常接近，就很可能造成干擾。

　　對直流/直流(DC/DC)變換器的系統時鐘進行高頻抖動是一種被成功采用的技術。這種方法通過擴頻技術，利用一個偽隨機序列(PRN)對開關頻率進行調制，從而消除窄帶諧波。本質上，這種方法是將噪聲“分散”到整個頻率范圍，而不再集中于特定的諧波上。因為擴頻噪聲的峰值幅度低很多，因此大大減輕了干擾。過去這一技術是用分立器件的方式實現的，但現在隨著工藝的進步，在較新的DC/DC變換器器件中集成了擴頻技術，從而可大大節省空間。

支持擴頻操作的單片IC低噪聲解決方案

　　為理解如何在片上實現擴頻操作，讓我們以圖1所示的框圖為例。圖1中的雙相開關電容充電泵用于對輸入電壓降壓得到穩定的輸出電壓。利用一個外接電阻分壓器來檢測輸出電壓，同時利用誤差信號調制充電泵輸出電流，從而實現穩壓。利用一個兩相非重疊時鐘來激發這兩個充電泵。這兩個充電泵并行工作，但彼此相位相反。在時鐘的第一相，來自VIN的電流通過充電泵1的開關，以及外接的浮動電容器1到達VOUT。時鐘第一相時間里，電流傳送到VOUT的同時也對此浮動電容器進行充電。在時鐘第二相期間，浮動電容器1由VOUT連接到地，將時鐘第一相期間儲存的電荷通過充電泵1的開關輸送到VOUT。充電泵2工作方式相同，但相位與充電泵1相反。這一雙相結構通過持續不斷地將電荷從VIN轉移到VOUT，從而極大降低了輸出和輸入噪聲。

　　利用這種開關方法，輸出電流只有一半直接來自VIN，與傳統的低壓降(LDO)穩壓器相比效率可提升50%。擴頻操作是這樣實現的，根據偽隨機數的變化，以每個時鐘周期為基礎對振蕩器頻率進行調制。對振蕩器工作頻率進行僅百分之幾的調制就可顯著降低峰值和諧波噪聲。

　　凌特公司的LTC3251就是集成片上擴頻功能的IC之一。LTC3251是一款輸出電流為500mA的高效率、低噪聲、無感降壓型DC/DC變換器。LTC3251中的擴頻振蕩器設計成每一周期的時鐘脈寬都是隨機變化的，頻率范圍限定在1~1.6MHz之間。這樣做的好處是將開關噪聲分散在一個很寬的頻率范圍內。圖2給出了LTC3251的一種典型應用電路，圖3和圖4分別是圖2中的LTC3251在VIN=3.6V，VOUT=1.5V及IOUT=500mA條件下的輸出和輸入噪聲頻譜。由于采用了擴頻技術，僅用原來輸出電容的一半容量，峰值輸出噪聲就可顯著降低(20dBm)，而僅用原來輸入電容的十分之一容量就幾乎消除了輸入諧波。擴頻技術專用于“連續”模式以及輸出電流大于50mA時的突發模式(Burst Mode)。

　　為滿足手持應用對強大功能、無線便攜及合理電池使用壽命的要求，設計師不得不將高效率的開關電源和對噪聲敏感的射頻電路集成在一起。傳統開關電源結構可延長電池壽命，但可能需要采用成本昂貴且占用空間的濾波或屏蔽技術。然而，現在出現了“內置”擴頻開關功能的電源IC。采用此類IC，即使不采用傳統的方法，也可減輕敏感射頻電路所受到的諧波干擾。而且，這些體積小、相對高輸出電流和低噪聲的電源IC對于空間有限、電池供電的應用非常理想。■