具有频率抖动功能的新型振荡器电路

时间：2024-07-28

杨畅，李威

(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都610054)

1 引言

频率抖动技术(Frequency Jitter)是一种从分散谐波干扰能量解决EMI问题的新方法。它是指开关电源的工作频率并非固定不变，而是周期性地变化来减小电磁干扰的方法。因为频谱分布是束状分布的，束与束之间有很多的空隙，通过频率抖动，可以把本该集中在同一频率带的辐射频谱分散到更多的频带，其噪声信号的准峰值随频率增加的变动不大，而噪声信号的平均值则随频率的改变有下降的趋势。频率抖动技术在高频阶段效果更为明显，以降低辐射电平。本方案通过利用内部计时电路的优点设计出了用于周期性抖动频率的电路。其频率抖动幅值达到±7%。

2 频率抖动技术的电路实现

设计了一种在中心频率附近上下抖动7%的频率抖动电路。这部分电路主要包括振荡器单元，充放电通路以及频率抖动产生电路。振荡单元主要由恒流源充放电电路和电压比较器组成。图1中，C1即为该芯片所集成的内部电容，通过对C1充放电，在电容上产生锯齿波信号，再经过射极跟随器输出信号，最后由两个反相器输出方波信号。

电路开始工作时，电容上没有压降，均低于高低参考电平，无论P1、P2导通与否，在比较器的输出端也即N4的栅压产生高电平信号，经过两个反相器，在P5和P1栅极产生低电平，N4上产生低电平，开启P5和P1，关断N4，于是P5电流对片上电容充电形成锯齿波的上升沿，当电容上的电压上升至高电平参考电压2.836V时，高电压比较器输出低电平信号，经过反相关断P1、P5，打开N4与P2，电容上的电荷通过N4支路开始放电，形成锯齿波的下降沿。此时低压比较器工作，当电容上的电压降至低电平参考电压1.054V时，锯齿波下降至最低点。如此循环，通过比较器的翻转，决定电容的充、放电，形成锯齿波电压。在反相器输出端得到脉冲输出信号OSC_OUT，占空比即为锯齿波的上升沿下降沿之比。仿真波形如图2所示。

在没有加入频率抖动电路时，通过调节电阻电容值，设定周期为14.5μs，频率约为70K，占空比为45%。充放电电路结构中，在P5和P0交替导通期间，流过它们的电流是一样大的，但是这个电流流过P5的时候只是充电电流，而流过P0的时候通过下面N4镜像到N3来放电，所以充放电电流不相等，但是是一个固定的比例。这种结构无论周期如何变化，振荡器的输出占空比保持45%不变。

下面分析充放电电流和周期的关系:

(1)无频率抖动时:

C1即是充放电电容的大小，VOSC即是图2中所示的高电压与低电压之间的差值，I为在此周期中的电流大小。对于充放电周期需要分别计算:

由于ICHARGE和IDISCHARGE之间的比例关系，所以:

上式中VOSC、k以及C1都是一个固定值，所以周期T的变化只和ICHARGE的大小有关系，没有频率抖动的时候，T为固定值。

(2)采用频率抖动时:

这里1～4控制信号是通过对振荡器分频得到的方波信号。

当频率最大正向抖动时，充放电电流加大，也就是在频率抖动电路中，控制信号1、2、3、4都是低电平，振荡频率加大，这时候设计目标振荡频率为:

当频率最大负向抖动时，充放电电流减小，也就是在频率抖动电路中，控制信号1、2、3、4都是高电平，振荡频率减小，这时候设计目标振荡频率为:

通过分析可以得出结论，在加入频率抖动电路以后，振荡器的中心频率应该在控制信号1、2、3和4全为1或者全为0所调制得到的频率之间。这里通过设定P7、P8、P9、P10不同的宽长比设计得到在1、3为低，2、4为高的时候的频率为中心频率。

3 频率抖动仿真结果

前面的理论分析得到随着控制信号周期性的变化，充放电电流也在周期性的变化，导致周期T也周期性的变化，但占空比D应该基本保持不变。

根据仿真结果:未加频率抖动时振荡器的周期约为14.5μs，频率约为70K，加入频率抖动后周期随着抖动电路的控制信号周期性的抖动。经过计算，得到如表1所示结果。

表1 频率抖动分析结果

从表1可以看到，仿真结果满足理论分析，频率抖动结果满足设计要求。所以利用数字电路通过对振荡器的输出OSC_OUT信号做分频可以很容易的控制频率抖动电路。

图3为未加入频率抖动时振荡器输出方波的频谱(上侧波形)，以及在加入频率抖动后输出方波的频谱(下侧波形)。很明显，加入频率抖动后，信号的各次谐波频带被展宽，峰值降低了至少6db，二次谐波的峰值降低了8db，三次谐波的峰值降低了11db，在高次谐波表现更为明显，能量被分配在更宽的频域上，整个频谱更加平滑，由此有效地抑制了电磁干扰。

图3 未加频率抖动和加入频率抖动时振荡器输出方波的频谱