恒溫晶振低噪聲供電電源設(shè)計(jì)

李 朋，張旭達(dá)

（河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

由于恒溫晶振具有穩(wěn)定度高、相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，因此在通信設(shè)備中通常作為時(shí)間基準(zhǔn)，成為設(shè)備的“心臟”[1,2]。隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)恒溫晶振的相噪指標(biāo)要求越來越高，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)恒溫晶振本身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)低相噪恒溫晶振[3,4]。但是隨著通信設(shè)備小型化、低功耗的發(fā)展，對(duì)晶振的功耗提出了新的要求[5]。學(xué)者對(duì)低功耗恒溫晶振開展了研究[6]。但是，為了保證恒溫晶振的相噪，其供電電源質(zhì)量要求噪聲要低，因此前級(jí)供電通常使用線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）。但是當(dāng)LDO輸入輸出電壓差以及負(fù)載電流均較大，其效率很低[7]。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，高頻開關(guān)電源由于其效率高、功率密度高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代LDO成為供電電源首選[8,9]。同時(shí)開關(guān)電源尤其是非隔離型開關(guān)電源能夠在較寬的電壓輸入范圍內(nèi)保持較高的轉(zhuǎn)換效率，因此可以將不同的工作電壓高效地轉(zhuǎn)換為固定電壓，適應(yīng)電池組供電、開關(guān)電源供電等不同的供電場合[10]。但是，一般而言恒溫晶振的相噪指標(biāo)對(duì)電源供電質(zhì)量非常敏感，特別是開關(guān)電源的功率管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，其開關(guān)頻率的噪聲（100 kHz～1 MHz）會(huì)對(duì)恒溫晶振的相位噪聲造成很大影響。目前，有學(xué)者提出一種兼具開關(guān)電源和LDO的供電電路，但是此類供電電路仍舊難以解決恒溫晶振相噪問題[11]。

本文設(shè)計(jì)了一種可靠性高、電路簡單、寬輸入電壓范圍，輸出電壓可調(diào)的升降壓電路，電路兼具開關(guān)電源的高效率和LDO的低噪聲等特點(diǎn)，在有限體積下實(shí)現(xiàn)了低噪聲供電。

1 基本原理

本文采用的設(shè)計(jì)方案為第一級(jí)利用Buck-Boost電源芯片實(shí)現(xiàn)電源升降壓功能，保證電源效率；然后通過高效的濾波將開關(guān)電源的開關(guān)噪聲降低；最后經(jīng)過LDO將電源的開關(guān)噪聲進(jìn)一步降低。其整體原理如圖1所示。

2 升降壓變換器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用TI公司的成熟產(chǎn)品TPS552882為核心芯片搭建升降壓變換器，TPS552882是一款同步4開關(guān)降壓/升壓變換器，能夠?qū)⑤敵鲭妷悍€(wěn)定在等于、低于或者高于輸入電壓的某一電壓值上。其典型應(yīng)用電路如圖1升降壓變換器所示。

圖1 整體原理圖

本設(shè)計(jì)參考其典型應(yīng)用電路，為了其輸出穩(wěn)定且噪聲易于濾除，設(shè)置模式選擇電阻R8為0，強(qiáng)制其無論輕載還是重載，都工作在PWM模式；并且設(shè)置其開關(guān)頻率為500 kHz，因此取R2=39 kΩ。

為了保證使用安全以操作方便，使能端采用NMOS控制，

其中取REN1=REN2=10 kΩ，REN3=4.8 kΩ這樣設(shè)置參數(shù)可是用單片機(jī)的I/O直接控制電源模塊的開啟和關(guān)閉，而且可以通過上拉電阻將使能端直接接至輸入端，實(shí)際使用起來靈活方便。

為了實(shí)現(xiàn)輸出可調(diào)的目的，將R1置于模塊內(nèi)部，R2位置預(yù)留，且放置于模塊外部，取R1=100 KΩ。根據(jù)公式：

式中，Uout為開關(guān)電源輸出電壓值。

可知，輸出電壓與R2的關(guān)系為：

式中，Uout1為本設(shè)計(jì)升降壓電路輸出電壓值。

3 濾波器設(shè)計(jì)

綜合考慮體積、功率以及濾波效果等各方面因素，本設(shè)計(jì)采用的濾波電路如圖1濾波器部分。

其中，電感L2選取鐵氧體磁環(huán)的共模電感，感值為1 mH，最大電流允許值為2 A，為了濾除較寬頻率范圍內(nèi)的干擾，電容取值如下：CX1=CX6=10 uF，CX2=CX5=1 uF，CX3=CX4=0.1 uF。

4 線性電源設(shè)計(jì)

線性電源采用圣邦微的型號(hào)為SGM2208的芯片，此款芯片是一款高輸入電壓、3 A大電流、低壓差、低噪聲以及低損耗的線性穩(wěn)壓器，其輸入最大電壓可達(dá)24 V，輸出電壓由RSET設(shè)定，最低輸出可達(dá)0 V。其滿載時(shí)電壓差只需155 mV。本設(shè)計(jì)采用其推薦電路，具體電路如圖1（線性穩(wěn)壓器）所示。

其輸出電壓計(jì)算公式為：

需要注意的是，此電路需要最小負(fù)載電流為1 mA，否則輸出無法穩(wěn)壓。由于此模塊為恒溫晶振供電設(shè)計(jì)，而即使在高溫環(huán)境下，恒溫晶振的供電電流也會(huì)大于1 mA，為了提高轉(zhuǎn)換效率，本設(shè)計(jì)不再設(shè)置“假負(fù)載”。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開關(guān)電源對(duì)恒溫晶振的噪聲影響有一部分是通過印制板線路傳播，經(jīng)過濾波器以及LDO可以有效抑制。但是空間輻射的干擾無法通過濾波來處理，本設(shè)計(jì)采用金屬殼體將電路全面屏蔽。具體結(jié)構(gòu)如圖2（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)所示。

圖2 模塊結(jié)構(gòu)及尺寸

其中，殼體和底座材質(zhì)均為黃銅。殼體為一體沖壓結(jié)構(gòu)，底座上直接燒結(jié)管腳，保證其密閉性，印制板通過管腳焊接到底座上。成品尺寸為標(biāo)準(zhǔn)的1英寸結(jié)構(gòu)，具體尺寸如圖2（b）外形尺寸所示。

管腳定義如表1所示。

表1 電源模塊管腳定義

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照如圖3所示的電路圖搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)置開關(guān)電源輸出為5.5 V，最終輸出為5 V。

圖3 電源模塊外應(yīng)用電路

其中，REN=10 kΩ，RT1=24 kΩ，RT2=100 KΩ，

CIN=COUT=10 uF。

首先驗(yàn)證其寬壓輸入特性，設(shè)置負(fù)載值為2A，當(dāng)輸入從3～36 V變化時(shí)，輸出電壓能夠保持穩(wěn)定。然后驗(yàn)證其負(fù)載特性，設(shè)置輸入電壓為24 V，輸出負(fù)載從0～2 A變化時(shí)，輸出電壓會(huì)從5 V逐漸降低到4.97 V，負(fù)載調(diào)整率0.6%，考慮到開關(guān)電源以及線性穩(wěn)壓器特性，為輸出電壓值在正常范圍內(nèi)。

用一恒溫晶振測試本設(shè)計(jì)的有效性，實(shí)驗(yàn)用供電電源為12 V，被測恒溫晶振供電電壓為5 V，輸出信號(hào)頻率為10 MHz，恒溫晶振穩(wěn)定電流210 mA。

首先，先用LDO為被測晶振供電，此時(shí)供電質(zhì)量不會(huì)影響晶振的相噪，然后用不加濾波以及LDO的開關(guān)電源為晶振供電，最后用本文設(shè)計(jì)的電源模塊為晶振供電，測試晶振的相噪，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

用LDO供電時(shí)，效率值約為40%，其供電時(shí)晶振相噪特性較好。但是直接用開關(guān)電源供電時(shí)，相噪特性會(huì)很大程度的惡化，尤其在10 kHz～1 MHz之間，相噪整體惡化大于5 dmc/Hz，且存在尖峰值較大的特定頻率噪聲。對(duì)比前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，開關(guān)電源對(duì)恒溫晶振相噪影響較大。但是此時(shí)電源轉(zhuǎn)換效率較高約為85%。本文所設(shè)計(jì)模塊為晶振供電時(shí)，晶振相噪特性與LDO供電相比會(huì)有一定程度的惡化，但是與單獨(dú)用開關(guān)電源供電時(shí)相比，相噪特性有明顯改善，且整個(gè)相噪圖比較平滑。且此時(shí)轉(zhuǎn)換效率約為80%，遠(yuǎn)高于LDO供電。

7 結(jié) 論

本文結(jié)合開關(guān)電源輸入電壓范圍寬、體積小、轉(zhuǎn)換效率高與LDO輸出電壓穩(wěn)定、電壓精度高、噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款電源模塊。該電源模塊雖然沒有根本解決開關(guān)電源噪聲大以及LDO轉(zhuǎn)換效率低的問題，但是本設(shè)計(jì)采取的折中辦法，在現(xiàn)有技術(shù)條件下既降低了開關(guān)電源的噪聲，又保證了較高的轉(zhuǎn)換效率。本電源模塊輸入范圍為3～36 V，輸出0～20 V連續(xù)可調(diào)，當(dāng)此電源模塊為恒溫晶振供電時(shí)，能夠保證其相位噪聲基本不惡化，因此，給該模塊的廣泛應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。