恒溫晶振低噪聲供電電源設計

李 朋，張旭達

（河北遠東通信系統工程有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

由于恒溫晶振具有穩定度高、相位噪聲低等優點，因此在通信設備中通常作為時間基準，成為設備的“心臟”[1,2]。隨著通信技術的快速發展，對恒溫晶振的相噪指標要求越來越高，國內外學者針對恒溫晶振本身特點，設計低相噪恒溫晶振[3,4]。但是隨著通信設備小型化、低功耗的發展，對晶振的功耗提出了新的要求[5]。學者對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，其供電電源質量要求噪聲要低，因此前級供電通常使用線性穩壓器（Low Dropout Regulator，LDO）。但是當LDO輸入輸出電壓差以及負載電流均較大，其效率很低[7]。

隨著技術的進步，高頻開關電源由于其效率高、功率密度高、重量輕等優點，逐漸取代LDO成為供電電源首選[8,9]。同時開關電源尤其是非隔離型開關電源能夠在較寬的電壓輸入范圍內保持較高的轉換效率，因此可以將不同的工作電壓高效地轉換為固定電壓，適應電池組供電、開關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對電源供電質量非常敏感，特別是開關電源的功率管工作在高頻開關狀態，其開關頻率的噪聲（100 kHz～1 MHz）會對恒溫晶振的相位噪聲造成很大影響。目前，有學者提出一種兼具開關電源和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]。

本文設計了一種可靠性高、電路簡單、寬輸入電壓范圍，輸出電壓可調的升降壓電路，電路兼具開關電源的高效率和LDO的低噪聲等特點，在有限體積下實現了低噪聲供電。

1 基本原理

本文采用的設計方案為第一級利用Buck-Boost電源芯片實現電源升降壓功能，保證電源效率；然后通過高效的濾波將開關電源的開關噪聲降低；最后經過LDO將電源的開關噪聲進一步降低。其整體原理如圖1所示。

2 升降壓變換器設計

本設計采用TI公司的成熟產品TPS552882為核心芯片搭建升降壓變換器，TPS552882是一款同步4開關降壓/升壓變換器，能夠將輸出電壓穩定在等于、低于或者高于輸入電壓的某一電壓值上。其典型應用電路如圖1升降壓變換器所示。

圖1 整體原理圖

本設計參考其典型應用電路，為了其輸出穩定且噪聲易于濾除，設置模式選擇電阻R8為0，強制其無論輕載還是重載，都工作在PWM模式；并且設置其開關頻率為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這樣設置參數可是用單片機的I/O直接控制電源模塊的開啟和關閉，而且可以通過上拉電阻將使能端直接接至輸入端，實際使用起來靈活方便。

為了實現輸出可調的目的，將R1置于模塊內部，R2位置預留，且放置于模塊外部，取R1=100 KΩ。根據公式：

式中，Uout為開關電源輸出電壓值。

可知，輸出電壓與R2的關系為：

式中，Uout1為本設計升降壓電路輸出電壓值。

3 濾波器設計

綜合考慮體積、功率以及濾波效果等各方面因素，本設計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 線性電源設計

線性電源采用圣邦微的型號為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壓器，其輸入最大電壓可達24 V，輸出電壓由RSET設定，最低輸出可達0 V。其滿載時電壓差只需155 mV。本設計采用其推薦電路，具體電路如圖1（線性穩壓器）所示。

其輸出電壓計算公式為：

需要注意的是，此電路需要最小負載電流為1 mA，否則輸出無法穩壓。由于此模塊為恒溫晶振供電設計，而即使在高溫環境下，恒溫晶振的供電電流也會大于1 mA，為了提高轉換效率，本設計不再設置“假負載”。

5 結構設計

開關電源對恒溫晶振的噪聲影響有一部分是通過印制板線路傳播，經過濾波器以及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，本設計采用金屬殼體將電路全面屏蔽。具體結構如圖2（a）內部結構所示。

圖2 模塊結構及尺寸

其中，殼體和底座材質均為黃銅。殼體為一體沖壓結構，底座上直接燒結管腳，保證其密閉性，印制板通過管腳焊接到底座上。成品尺寸為標準的1英寸結構，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 實驗驗證

按照如圖3所示的電路圖搭建實驗平臺，設置開關電源輸出為5.5 V，最終輸出為5 V。

圖3 電源模塊外應用電路

其中，REN=10 kΩ，RT1=24 kΩ，RT2=100 KΩ，

CIN=COUT=10 uF。

首先驗證其寬壓輸入特性，設置負載值為2A，當輸入從3～36 V變化時，輸出電壓能夠保持穩定。然后驗證其負載特性，設置輸入電壓為24 V，輸出負載從0～2 A變化時，輸出電壓會從5 V逐漸降低到4.97 V，負載調整率0.6%，考慮到開關電源以及線性穩壓器特性，為輸出電壓值在正常范圍內。

用一恒溫晶振測試本設計的有效性，實驗用供電電源為12 V，被測恒溫晶振供電電壓為5 V，輸出信號頻率為10 MHz，恒溫晶振穩定電流210 mA。

首先，先用LDO為被測晶振供電，此時供電質量不會影響晶振的相噪，然后用不加濾波以及LDO的開關電源為晶振供電，最后用本文設計的電源模塊為晶振供電，測試晶振的相噪，測試結果如圖4所示。

圖4 實驗測試結果

用LDO供電時，效率值約為40%，其供電時晶振相噪特性較好。但是直接用開關電源供電時，相噪特性會很大程度的惡化，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。對比前兩個實驗結果，可以看出，開關電源對恒溫晶振相噪影響較大。但是此時電源轉換效率較高約為85%。本文所設計模塊為晶振供電時，晶振相噪特性與LDO供電相比會有一定程度的惡化，但是與單獨用開關電源供電時相比，相噪特性有明顯改善，且整個相噪圖比較平滑。且此時轉換效率約為80%，遠高于LDO供電。

7 結 論

本文結合開關電源輸入電壓范圍寬、體積小、轉換效率高與LDO輸出電壓穩定、電壓精度高、噪聲低的優點，設計了一款電源模塊。該電源模塊雖然沒有根本解決開關電源噪聲大以及LDO轉換效率低的問題，但是本設計采取的折中辦法，在現有技術條件下既降低了開關電源的噪聲，又保證了較高的轉換效率。本電源模塊輸入范圍為3～36 V，輸出0～20 V連續可調，當此電源模塊為恒溫晶振供電時，能夠保證其相位噪聲基本不惡化，因此，給該模塊的廣泛應用奠定了良好的基礎。