差頻訊號是什麼

在膝上型電腦、LCDTV、藍光DVD以及通訊系統的主機板上通常會用到多個非隔離的DCDC變換器或LDO，以得到不同的電壓分別給CPU的核及I/O、專用IC及儲存器等晶片供電。為了提高系統的效率，通常幾個大電流的DCDC變換器直接由輸入的直流電壓供電。由於DCDC變換器的工作頻率高，形成一個很強的騷擾源，會產生很高的開關噪聲，從而會在電源的輸入端產生差模與共模干擾訊號。對於共輸入多路DC/DC變換器而言，當它們在空間上比較靠近時，更容易互相干擾，產生差頻的噪聲。本文將以共輸入的二路DC/DC變換器為例，來討論差頻的噪聲產生原因和解決辦法。

1、差頻及產生原因

圖1是一個典型的LCDTV應用電路，+12V直流輸入電壓透過兩路DC/DC降壓變換器分別輸出+3。3V和+5V的直流電源。+3。3V和+5V分別給LCDTV的類比電路和數位電路供電。

圖1：共輸入二路DC/DC電路圖

+3。3V和+5V的電源IC的額定的開關頻率都是440kHz左右，當只有一路DC/DC變換器工作而另外一路DC/DC變換器不工作時，它們各自的輸出波形都是正常的。+3。3V系統工作的開關頻率f1=444。8kHz，輸出高頻紋波頻率也是444。8kHz。+5V系統工作的開關頻率是f2=435。5kHz，輸出高頻紋波頻率也是435。5kHz。兩個工作頻率和額定工作頻率的偏差都在晶片的偏差允許範圍內。

如果兩路同時工作，會發現+3。3V輸出有頻率8。3kHz、幅值200mV左右的低頻紋波，而+5V輸出是正常的，並沒有低頻紋波訊號，如圖2所示。CH1是+3。3V電路開關節點處的電壓波形，開關頻率是f1=444。8kHz；CH3是+5V電路開關節點處的電壓波形，開關頻率是f2=435。5kHz；CH2是+3。3V電路的輸出電壓低頻紋波，頻率大概是8。3kHz。而這個8。3kHz的頻率似乎就是這兩路變換器的開關頻率之差|f1-f2|。所以我們可以假設，+3。3V電路的輸出電壓紋波出現了差頻干擾訊號。從後面的分析中，可以驗證這個假設是成立的。

CH1：VLX of 3。3V CH2：Vo ripple of 3。3V CH3：VLX of 5V

圖2：實際電路開關波形

但是上面例子中，為什麼只在+3。3V輸出電壓波形上產生差頻訊號，而+5V的輸出電壓波形是正常的呢？檢查圖3所示的電路中主要元件的PCB的佈局，+3。3V電路的DC/DC變換器的晶片U1是緊挨著+5V電路的電感元件L2。L2電感節點電壓波形是以440kHz左右的頻率快速變化，因此電感節點處會產生較強的電場輻射。而U1的COMP端是補償腳，它是高阻輸入端，極易受到外界干擾。L2電感節點處的電壓加在U1的COMP腳上，該訊號就被輸入到晶片U1內部，參與反饋控制，因此在輸出出現了差頻干擾訊號。

而對於+5V輸出的電路，U2的COMP端距離+3。3V電路的電感L1很遠，就不會發生近場干擾，因此輸出波形是正常的。為了進一步驗證我們的結論，可以來做一下模擬。

圖3：電路LAYOUT佈局

使用圖1中的+3。3V電路來建模，用SIMPLIS軟體做模擬。首先以正常的、COMP端未被幹擾的系統來做下模擬，如圖4所示，COMP端的電壓波形是正常的，輸出電壓紋波也是正常的440kHz的高頻訊號。其次在COMP端疊加上幅值為100mV、佔空比為0。275、頻率為450kHz的脈衝訊號，該訊號就是用來模擬L2電感節點處輻射出來而加在U1的COMP腳上的電壓。

模擬結果如圖5所示，COMP端電壓波形出現了變化，是由於疊加上了脈衝訊號，電壓波形上出現了低頻紋波，因此輸出電壓上也出現了低頻紋波，這個輸出電壓波形和圖2中的輸出電壓波形非常相似，並且可以看出來這個低頻紋波的頻率恰好是10kHz，也即|450kHz-440kHz|得來的差頻訊號。由此就驗證了之前的假設，即由於近場干擾，+3。3V電路的輸出電壓中產生了差頻訊號。

CH1：Vo CH2：Vcomp CH3：VLX

圖4：正常系統模擬波形

CH1：Vo CH2：Vcomp CH3：VLX

圖5：COMP端出現干擾訊號的系統模擬波形

要了解

差頻

，首先要知道

混頻

的概念。混頻電路又叫混頻器（MIX），是利用半導體器件的非線性特性，將兩個或多個訊號混合，取其差頻或和頻，得到所需要的頻率訊號，因此差頻就是兩個頻率相近但不同的訊號形成的相互干涉訊號的頻率，其值是原先兩個訊號的頻率之差或之和，這種電路在無線射頻系統中廣泛的使用。在本例的系統中，由於電源產生的差頻干擾是8。3kHz的低頻訊號，容易對系統中頻率比較接近的音訊和影片訊號產生干擾，從而影響音訊的質量並在影象中產生

水波紋

。

2、解決方法

由於+3。3V輸出電壓上的低頻干擾訊號容易對系統的音訊和影片產生干擾，嚴重的還會影響音訊質量或者在影象中產生水波紋，所以一定要想辦法把這個低頻訊號給去除掉。

解決方法有以下幾種：

（1）改變PCB佈局

由於+3。3V輸出的Buck晶片的COMP管腳太接近+5V電路的電感L2，造成近場干擾，因此佈局的時候使COMP腳遠離電感，如圖6所示。改進後的PCB的設計佈局，U2和L2調換了位置，這樣的位置對於U1來說就是安全的，因為U1的COMP端不再受L2的干擾了，+3。3V的輸出端完全消除了差頻干擾訊號。

6：改進後的PCB佈局

（2）使用更高頻率的晶片

在本例中，如使用600kHz開關頻率的Buck晶片來代替U2，在+3。3V輸出上也不再出現低頻紋波訊號。實際測試結果如圖7所示，+3。3V輸出紋波沒有低頻紋波訊號。因為該低頻訊號是由差頻即|f1-f2|引起的，如果提高f2到600kHz， 那麼|f1-f2|就會增加，從最開始的8。3kHz增加到幾百kHz， 當然低頻紋波就沒有了。

圖7：U2使用600kHz後3。3V輸出紋波

（3）加LC濾波器

在+3。3V電路輸出再加一級LC濾波，成為兩階的濾波，也可以衰減低頻紋波，電路如圖8所示。可以用SIMPLIS來做一下模擬，如果要消除10kHz的低頻紋波，以1kHz作為截止頻率：

選擇合適的L3和C3的值，模擬波形如圖9所示。CH1是COMP腳的電壓波形，CH2是LC濾波後的輸出電壓波形，CH3是LC濾波前的輸出電壓波形。由圖中可以看出，經過LC濾波後，輸出10kHz的低頻紋波不見了，只有幅值30mV、頻率1kHz的低頻紋波，該紋波幅值很小，不會對系統有任何影響，是可以接受的。

圖8：+3。3V輸出加LC濾波電路

圖9：LC濾波模擬波形

LC濾波器對紋波的抑制作用比較明顯，根據要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。但是，這種情況下需要考慮反饋比較電壓的取樣點。取樣點選在LC濾波器之前，輸出電壓會降低。因為任何電感都有一個直流電阻，當有電流輸出時，在電感上會有壓降產生，導致電源的輸出電壓降低。而且這個壓降是隨輸出電流變化的。取樣點選在LC濾波器之後，這樣輸出電壓就是我們所希望得到的電壓。但是這樣在電源系統內部引入了一個電感和一個電容，有可能會導致系統不穩定。

（4）其它方法

還有就是採用鎖相環同步多個晶片，使它們工作在同樣的頻率，同樣，可以完全消除差頻的干擾。

3、結論

（1）共輸入二路或多路DC/DC電路由於空間位置上比較靠近，由於近場耦合，容易產生差頻干擾，從而形成低頻噪聲。

（2）設計PCB板時應該注意多路之間的位置關係和地線的安排。由於DC/DC晶片的補償腳是高阻輸入端，易受外界干擾，必須遠離干擾源。

（3）透過使用更高頻率的晶片，或者在輸出端加合適的LC濾波器，還有用鎖相環同步技術都可以消除或衰減低頻干擾訊號。

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