ارائه مدولاتور عرض پالسی مبتنی بر جهش فرکانس با هدف کاهش اسپور در مبدل‌های کلیدزنی باک
الموضوعات :
1 - دانشگاه تهران
2 - دانشگاه تهران
الکلمات المفتاحية: جهش فرکانسی, کاهش اسپور, مبدل‌های کلیدزنی,
ملخص المقالة :
در این مقاله روشی جهت بهبود عملکرد طیفی و کاهش EMI مبدل‌های باک مبتنی بر روش کلیدزنی ارائه شده و این کار با به کارگیری تکنیک جهش فرکانسی در قسمت مدولاتور انجام گردیده است. به این منظور یک مدولاتور عرض پالسی آسنکرون (APWM) با قابلیت جهش فرکانسی پیشنهاد شده است. از آنجایی که این نوع مدولاتور ذاتاً دارای رفتار خودنوسانی بوده و فرکانس نوسان آن وابسته به تأخیر حلقه آن می‌باشد، از این خاصیت جهت تغییر فرکانس نوسان آن استفاده شده است. به طوری که با تغییر تصادفی تأخیر حلقه آن بین 8 مقدار تصادفی، فرکانس خودنوسانی آن نیز بین 8 مقدار متفاوت تغییر یافته و در نتیجه طیفی بدون اسپور در خروجی آن ایجاد می‌شود. رفتار مدولاتور بر اساس مدل سیستمی به کمک روابط ریاضی تجزیه و تحلیل شده و سپس صحت این روابط به صورت رفتاری توسط نرم‌افزار Simulink-Matlab بررسی گردید. با توجه به این که در روش پیشنهادی عمل جهش فرکانسی در بخش دیجیتال مدولاتور انجام می‌شود، کنترل فرکانس به مراتب ساده‌تر از روش‌های ارائه‌شده در کارهای قبلی است. همچنین لازم به ذکر است که بزرگ‌ترین مزیت روش پیشنهادی در مقایسه با سایر روش‌های گسترش طیفی، پیوستگی سیگنال حامل آن به هنگام جهش فرکانس می‌باشد.
[1] L. Wang, et al., "A wireless biomedical signal interface system-on-chip for body sensor networks," IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., vol. 4, no. 2, pp. 112-117, Apr. 2010.
[2] A. Urso, et al., "A switched-capacitor DC-DC converter powering an LC oscillator to achieve 85% system peak power efficiency and -65 dBc spurious tones," IEEE Trans. on Circ. and Sys. I: Regular Papers, vol. 67, no. 11, pp. 3764-3777, Nov. 2020.
[3] C. Tao and A. A. Fayed, "A low-noise PFM-controlled buck converter for low-power applications," IEEE Trans. on Circ. and Sys. I: Regular Papers, vol. 59, no. 12, pp. 3071-3080, Dec. 2012.
[4] J. H. Chen, P. J. Liu, and Y. J. E. Chen, "A spurious emission reduction technique for power amplifiers using frequency hopping DC-DC converters," in Proc. IEEE Radio Freq. Integr. Circuits Symp., pp. 145-148, Boston, MA, USA, 7-9 Jun. 2009.
[5] M. W. Kim and J. J. Kim, "A PWM/PFM dual-mode DC-DC buck converter with load-dependent efficiency-controllable scheme for multi-purpose IoT applications," Energies, vol. 14, pp. 1-14, Feb. 2021.
[6] R. Inanlou, O. Shoaei, and M. Tamaddon, "An asynchronous pulse width modulator for DC-DC buck converter," International J. of Circuit Theory and Applications, vol. 48, no. 2, pp. 231-253, Feb. 2020.
[7] -, TPS7A49xx Series Data Sheet, Texas Instruments Incorp., 2010. [Online]. Available: www.ti.com › Power Management › Linear Regulator (LDO).
[8] A. V. Oppenheim, A. S. Willsky, and I. T. Young, Signals and Systems, Prentice Hall, NJ, 1983.
[9] H. S. Black, Modulation Theory, D. Van Nostrand Company, NY, 1953.
[10] W. A. Burklandn, C. Tao, and A. A. Fayed, "Output switching noise spectral analysis and modeling in buck regulators," Microelectronics J., vol. 44, no. 5, pp. 373-381, Mar. 2013.
[11] T. Hegarty, An Overview of Radiated EMI Specifications for Power Supplies, Texas Instruments, Jun. 2018. Available: www.ti.com/lit/wp/slyy142/slyy142.pdf
[12] Y. Choi, W. Tak, Y. Yoon, J. Roh, S. Kwon, and J. Koh, "A 0.018% THD+N, 88-dB PSRR PWM Class-D amplifier for direct battery hookup," IEEE J. Solid-State Circ., vol. 47, no. 2, pp. 454-463, Feb. 2012.
[13] S. K. Dunlap and T. S. Fiez, "A noise-shaped switching power supply using a delta-sigma modulator," IEEE TCAS-I, vol. 51, no. 6, pp. 1051-1061, Jun. 2004.
[14] Y. S. Hwang, et al., "A low-EMI continuous-time delta-sigma-modulation buck converter with transient response eruption techniques," IEEE Trans. on Ind. Electron., vol. 67, no. 8, pp. 6854-6863, Aug. 2020.
[15] J. J. Chen, et al., "A low-electromagnetic-interference buck converter with continuous-time delta-sigma-modulation and burst-mode techniques," IEEE Trans. on Ind. Electron., vol. 65, no. 9, pp. 6860-6869, Sep. 2018.
[16] J. J. Chen, Y. S. Hwang, J. H. Yu, Y. T. Ku, and C. C. Yu, "A low-EMI buck converter suitable for wireless sensor networks with spur-reduction techniques," IEEE Sensors J., vol. 16, no. 8, pp. 2588-2597, Apr. 2016.
[17] Y. S. Hwang, J. J. Chen, W. J. Hou, P. H. Liao, and Y. T. Ku, "A 10 μs transient recovery time low-EMI DC-DC buck converter with Δ–Ʃ modulator," IEEE Trans. Very Large Scale Integr. (VLSI) Sys., vol. 24, no.9, pp. 2983-2992, Mar. 2016.
[18] W. H. Yang, et al., "An enhanced-security buck DC-DC converter with true-random-number-based pseudo hysteresis controller for Internet-of-Everything (IoE) devices," in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., ISSCC'18, pp. 126-128, Feb. 2018.
[19] M. Nashed and A. A. Fayed, "A current-mode hysteretic buck converter with spur-free control for variable switching noise mitigation," IEEE Trans. Power Electronics, vol. 33, no. 1, pp. 650-664, Jan. 2018.
[20] L. Corradini, A. Bjeletic, R. Zane, and D. Maksimovic, "Fully digital hysteretic modulator for DC-DC switching converters," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 26, no. 10, pp. 2969-2979, Oct. 2011.
[21] M. Hoyerby and M. Andersen, "Carrier distortion in hysteretic self-oscillating class-D audio power amplifiers: analysis and optimization," IEEE Trans. Power Electron., vol. 24, no. 3, pp. 714-729, Mar. 2009.
[22] M. Tamaddon and M. Yavari, "An oscillatory noise‐shaped quantizer for time‐based continuous‐time sigma‐delta modulators," International J. of Circuit Theory and Applications, vol. 46, no. 3, pp. 384-400, Mar. 2018.
[23] W. Li, Y. Orino, S. Hirata, and M. K. Kurosawa, "Design of a self-oscillating PWM signal generator with a double integration loop," IEEE Trans. on Circ. and Sys. I (TCAS_I): Regular Papers, vol. 60, no. 8, pp. 2064-2073, Feb. 2013.
[24] H. G. Li, S. D. Gong, J. W. Liu, and D. L. Su, "CMOS-based chaotic PWM generator for EMI reduction," IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. 59, no. 4, pp. 1224-1231, Aug. 2017.
[25] M. L. Chiu, T. H. Yang, and T. H. Lin, "A high accuracy constant-on-time buck converter with spur-free on-time generator," in Proc. IEEE Int. Symp. on Circuits and Systems, ISCAS'19, 4 pp., Sapporo, Japan, 26-29 May 2019.
[26] C. Tao and A. A. Fayed, "A buck converter with reduced output spurs using asynchronous frequency hopping," IEEE Trans. on Circ. and Sys. II: Express Briefs, vol. 58, no. 11, pp. 709-713, Nov. 2011.
[27] H. Li, J. Shang, B. Zhang, X. Zhao, N. Tan, and C. Liu, "Stability analysis with considering the transition interval for PWM DC-DC converters based on describing function method," IEEE Access, vol. 6, pp. 48113-48124, Jul. 2018.
