降低手持無線產(chǎn)品噪聲干擾的新方法

2004年6月B版

　　今年全球預(yù)計(jì)將銷售超過4.5億部手機(jī)、3500萬臺筆記本電腦和1200萬部個人數(shù)字助理(PDA)。這些產(chǎn)品有兩點(diǎn)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(jī)始終都采用敏感的射頻收發(fā)器電路，但在PDA和手持計(jì)算機(jī)中增加此類電路還是最近的事情，這部分是藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展推動的結(jié)果。同時(shí)在此類產(chǎn)品中，開關(guān)電源正在逐步取代線性穩(wěn)壓器以延長電池使用壽命。在產(chǎn)品中同時(shí)存在噪聲源(開關(guān)電源)和噪聲敏感的電路可能會帶來干擾隱患。

　　傳統(tǒng)解決方案是盡量使噪聲源電路遠(yuǎn)離噪聲敏感電路。然而，現(xiàn)在的手持產(chǎn)品中，設(shè)計(jì)非常緊湊，因此這一方法已經(jīng)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(tǒng)開關(guān)電源的噪聲能量主要以集中的窄帶諧波形式表現(xiàn)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(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行高頻抖動是一種被成功采用的技術(shù)。這種方法通過擴(kuò)頻技術(shù)，利用一個偽隨機(jī)序列(PRN)對開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)制，從而消除窄帶諧波。本質(zhì)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?yàn)閿U(kuò)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(shù)是用分立器件的方式實(shí)現(xiàn)的，但現(xiàn)在隨著工藝的進(jìn)步，在較新的DC/DC變換器器件中集成了擴(kuò)頻技術(shù)，從而可大大節(jié)省空間。

支持?jǐn)U頻操作的單片IC低噪聲解決方案

　　為理解如何在片上實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻操作，讓我們以圖1所示的框圖為例。圖1中的雙相開關(guān)電容充電泵用于對輸入電壓降壓得到穩(wěn)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(shí)利用誤差信號調(diào)制充電泵輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。利用一個兩相非重疊時(shí)鐘來激發(fā)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(shí)鐘的第一相，來自VIN的電流通過充電泵1的開關(guān)，以及外接的浮動電容器1到達(dá)VOUT。時(shí)鐘第一相時(shí)間里，電流傳送到VOUT的同時(shí)也對此浮動電容器進(jìn)行充電。在時(shí)鐘第二相期間，浮動電容器1由VOUT連接到地，將時(shí)鐘第一相期間儲存的電荷通過充電泵1的開關(guān)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(jié)構(gòu)通過持續(xù)不斷地將電荷從VIN轉(zhuǎn)移到VOUT，從而極大降低了輸出和輸入噪聲。

　　利用這種開關(guān)方法，輸出電流只有一半直接來自VIN，與傳統(tǒng)的低壓降(LDO)穩(wěn)壓器相比效率可提升50%。擴(kuò)頻操作是這樣實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)偽隨機(jī)數(shù)的變化，以每個時(shí)鐘周期為基礎(chǔ)對振蕩器頻率進(jìn)行調(diào)制。對振蕩器工作頻率進(jìn)行僅百分之幾的調(diào)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(kuò)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(kuò)頻振蕩器設(shè)計(jì)成每一周期的時(shí)鐘脈寬都是隨機(jī)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(guān)噪聲分散在一個很寬的頻率范圍內(nèi)。圖2給出了LTC3251的一種典型應(yīng)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(kuò)頻技術(shù)，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(kuò)頻技術(shù)專用于“連續(xù)”模式以及輸出電流大于50mA時(shí)的突發(fā)模式(Burst Mode)。

　　為滿足手持應(yīng)用對強(qiáng)大功能、無線便攜及合理電池使用壽命的要求，設(shè)計(jì)師不得不將高效率的開關(guān)電源和對噪聲敏感的射頻電路集成在一起。傳統(tǒng)開關(guān)電源結(jié)構(gòu)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(shù)。然而，現(xiàn)在出現(xiàn)了“內(nèi)置”擴(kuò)頻開關(guān)功能的電源IC。采用此類IC，即使不采用傳統(tǒng)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(yīng)用非常理想。■