在筆記本電腦、LCD TV、藍光DVD及通信系統的主板上，通常會用到多個DC/DC變換器，以得到不同的電壓，分別給CPU、I/O、專用IC、存儲器等芯片供電。為了提高系統的效率，通常幾個大電流的DC/DC變換器直接由輸入的直流電壓供電。由于DC/DC變換器的工作頻率高，形成一個很強的騷擾源，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信號。當共輸入多路DC/DC變換器在空間上比較靠近時，更容易互相干擾，產生差頻噪聲。本文將以共輸入的二路DC/DC變換器為例，分析差頻噪聲產生原因和解決辦法。
1 差頻及產生原因
    圖1所示為典型的LCD TV應用電路，+12 V直流輸入電壓通過兩路DC/DC降壓變換器分別輸出+3.3 V和+5 V的直流電源，并分別給LCD TV的模擬電路和數字電路供電[1-3]。

    +3.3 V和+5 V電路的額定開關頻率均約為440 kHz，當只有一路DC/DC變換器工作而另一路DC/DC變換器不工作時，它們的輸出波形都是正常的。+3.3 V系統工作的開關頻率及輸出高頻紋波頻率均為f1=444.8 kHz。+5 V系統工作的開關頻率及輸出高頻紋波頻率均為f2=435.5 kHz。兩個工作頻率和額定工作頻率的偏差都在芯片的偏差允許范圍內。但如果兩路同時工作，將產生+3.3 V輸出的頻率為8.3 kHz、幅值為200 mV左右的低頻紋波；而+5 V輸出是正常的，并沒有低頻紋波信號。如圖2(a)所示，+3.3 V電路開關節點LX處開關頻率f1=444.8 kHz。+5 V電路開關節點LX處的開關頻率f2=435.5 kHz。+3.3 V電路輸出電壓的低頻紋波頻率約為8.3 kHz，即是這兩路變換器的開關頻率之差|f1-f2|。由此可見，假設+3.3 V電路的輸出電壓紋波出現了差頻干擾信號，通過分析就可以驗證這個假設是成立的。

    圖2(b)所示的電路中，+3.3 V電路DC/DC變換器的芯片U1是緊挨著+5 V電路的電感元件L2。L2電感節點電壓波形是以約440 kHz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。如果L2電感節點處的電壓加在U1的COMP腳上，該信號就將被輸入到芯片U1內部參與反饋控制，因此在輸出端出現了差頻干擾信號。而對于+ 5 V輸出的電路，U2的COMP端距離+3.3 V電路的電感L1很遠，則不會發生近場干擾，因此輸出波形是正常的。
    以圖1中的+3.3 V電路建模，采用SIMPLIS軟件仿真，COMP端正常的電壓波形如圖3(a)所示，輸出電壓紋波也是正常的440 kHz的高頻信號。在COMP端疊加上幅值為100 mV、占空比(Duty)為0.275、頻率為450 kHz的脈沖信號，該信號用來模擬L2電感節點處輻射出來加在U1 COMP腳上的電壓。仿真結果如圖3(b)所示，COMP端電壓波形出現了變化，由于疊加了脈沖信號，電壓波形出現了低頻紋波，因此輸出電壓也出現了低頻紋波，輸出電壓波形與圖2中的輸出電壓波形非常相似，并且這個低頻紋波的頻率恰好是10 kHz，即|450 kHz-440 kHz|的差頻信號。由此驗證了之前的假設，即由于近場干擾，+3.3 V電路的輸出電壓中產生了差頻信號。

    混頻電路又稱混頻器（MIX），是利用半導體器件的非線性特性將兩個或多個信號混合，取其差頻或和頻，得到所需要的頻率信號[4]。因此差頻就是兩個頻率相近、但不同的信號形成的相互干涉信號的頻率，其值是原先兩個信號的頻率之差。由于產生的差頻干擾是8.3 kHz的低頻信號，容易對系統的音頻和視頻信號產生干擾，從而影響音頻質量并在圖像中產生水波紋。
2 解決方法
    由于+3.3 V輸出電壓上的低頻干擾信號容易對系統的音頻和視頻產生干擾，嚴重的還會影響音頻質量或者在圖像中產生水波紋，所以應去除低頻信號。有以下幾種解決方法：
    (1)改變PCB布局。由于+3.3 V電路的BUCK芯片的COMP腳太接近+5 V電路的電感L2，造成近場干擾，因此布局時使COMP腳遠離電感。圖4所示為改進后的LAYOUT布局，U2和L2調換了位置，這樣的位置對于U1是安全的。因為U1的COMP端不再受L2的干擾，因此在+3.3 V的輸出端完全消除了差頻干擾信號。

    (2)使用更高頻率的芯片。如使用600 kHz開關頻率的BUCK芯片代替U2，使得+3.3 V輸出不再出現低頻紋波信號。因為該低頻信號是由差頻，即|f1-f2|引起的，如果提高f2到600 kHz, 則|f1-f2|就會增加，從最開始的8.3 kHz增加到幾百kHz，消除了低頻紋波。
    (3)在+3.3 V電路輸出端再加一級LC濾波，成為兩階濾波，也可以衰減低頻紋波，如圖5(a)所示?？梢杂肧IMPLIS來做仿真，如果要消除10 kHz的低頻紋波，以1 kHz作為截止頻率，=1 kHz，選擇合適的L3和C3的值，仿真波形如圖5(b)所示。圖中Va是一級濾波后的波形，Vo是兩級濾波后的波形，可以看出，經過兩級LC濾波后，輸出10 kHz的低頻紋波消除了，只有幅值30 mV、頻率為1 kHz的低頻紋波，該紋波幅值很小，不會對系統有任何影響，可以接受。

    (4)由于LC濾波器對紋波的抑制作用比較明顯，故可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，一般都能夠很好地減小紋波。但是，這種情況需要考慮反饋比較電壓的采樣點。如果采樣點選在LC濾波器之前，會降低輸出電壓。因為任何電感都有一個直流電阻，當有電流輸出時，在電感上會產生壓降，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。把采樣點選在LC濾波器之后，輸出電壓就是希望得到的電壓。但是在電源系統內部由于引入了一個電感和一個電容，有可能會導致系統不穩定。
    (5)采用鎖相環同步多個芯片，使它們工作在同樣的頻率，也可完全消除差頻的干擾。
    由于要輸入二路或多路DC/DC變換器，其空間位置比較靠近，形成近場耦合，容易產生差頻干擾，從而形成低頻噪聲。因此在設計PCB板時應注意多路之間的位置關系和地線的設計。此外，由于DC/DC芯片的補償腳是高阻輸入端，易受外界干擾，必須遠離干擾源。通過使用更高頻率的芯片，或在輸出端增加合適的LC濾波器，采用鎖相環同步技術都可以消除或衰減低頻干擾信號。
參考文獻
[1] 劉松.汽車電子系統降壓型DC/DC轉換器的設計技巧[J].電子設計應用，2007(5)：111-114.
[2] 劉松.Buck變換器輕載時三種工作模式原理及應用[J].電力電子技術，2007，41(11)：75-76.
[3] 劉松.Buck變換器電流取樣電阻三種位置的選擇[J].電子設計應用，2008(2)：111-114.
[4] 張肅文，陸兆熊.高頻電子線路(第三版)[M].北京：高等教育出版社，1993.