恒温晶振低噪声供电电源设计

李 朋，张旭达

（河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引 言

由于恒温晶振具有稳定度高、相位噪声低等优点，因此在通信设备中通常作为时间基准，成为设备的“心脏”[1,2]。随着通信技术的快速发展，对恒温晶振的相噪指标要求越来越高，国内外学者针对恒温晶振本身特点，设计低相噪恒温晶振[3,4]。但是随着通信设备小型化、低功耗的发展，对晶振的功耗提出了新的要求[5]。学者对低功耗恒温晶振开展了研究[6]。但是，为了保证恒温晶振的相噪，其供电电源质量要求噪声要低，因此前级供电通常使用线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）。但是当LDO输入输出电压差以及负载电流均较大，其效率很低[7]。

随着技术的进步，高频开关电源由于其效率高、功率密度高、重量轻等优点，逐渐取代LDO成为供电电源首选[8,9]。同时开关电源尤其是非隔离型开关电源能够在较宽的电压输入范围内保持较高的转换效率，因此可以将不同的工作电压高效地转换为固定电压，适应电池组供电、开关电源供电等不同的供电场合[10]。但是，一般而言恒温晶振的相噪指标对电源供电质量非常敏感，特别是开关电源的功率管工作在高频开关状态，其开关频率的噪声（100 kHz～1 MHz）会对恒温晶振的相位噪声造成很大影响。目前，有学者提出一种兼具开关电源和LDO的供电电路，但是此类供电电路仍旧难以解决恒温晶振相噪问题[11]。

本文设计了一种可靠性高、电路简单、宽输入电压范围，输出电压可调的升降压电路，电路兼具开关电源的高效率和LDO的低噪声等特点，在有限体积下实现了低噪声供电。

1 基本原理

本文采用的设计方案为第一级利用Buck-Boost电源芯片实现电源升降压功能，保证电源效率；然后通过高效的滤波将开关电源的开关噪声降低；最后经过LDO将电源的开关噪声进一步降低。其整体原理如图1所示。

2 升降压变换器设计

本设计采用TI公司的成熟产品TPS552882为核心芯片搭建升降压变换器，TPS552882是一款同步4开关降压/升压变换器，能够将输出电压稳定在等于、低于或者高于输入电压的某一电压值上。其典型应用电路如图1升降压变换器所示。

图1 整体原理图

本设计参考其典型应用电路，为了其输出稳定且噪声易于滤除，设置模式选择电阻R8为0，强制其无论轻载还是重载，都工作在PWM模式；并且设置其开关频率为500 kHz，因此取R2=39 kΩ。

为了保证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这样设置参数可是用单片机的I/O直接控制电源模块的开启和关闭，而且可以通过上拉电阻将使能端直接接至输入端，实际使用起来灵活方便。

为了实现输出可调的目的，将R1置于模块内部，R2位置预留，且放置于模块外部，取R1=100 KΩ。根据公式：

式中，Uout为开关电源输出电压值。

可知，输出电压与R2的关系为：

式中，Uout1为本设计升降压电路输出电压值。

3 滤波器设计

综合考虑体积、功率以及滤波效果等各方面因素，本设计采用的滤波电路如图1滤波器部分。

其中，电感L2选取铁氧体磁环的共模电感，感值为1 mH，最大电流允许值为2 A，为了滤除较宽频率范围内的干扰，电容取值如下：CX1=CX6=10 uF，CX2=CX5=1 uF，CX3=CX4=0.1 uF。

4 线性电源设计

线性电源采用圣邦微的型号为SGM2208的芯片，此款芯片是一款高输入电压、3 A大电流、低压差、低噪声以及低损耗的线性稳压器，其输入最大电压可达24 V，输出电压由RSET设定，最低输出可达0 V。其满载时电压差只需155 mV。本设计采用其推荐电路，具体电路如图1（线性稳压器）所示。

其输出电压计算公式为：

需要注意的是，此电路需要最小负载电流为1 mA，否则输出无法稳压。由于此模块为恒温晶振供电设计，而即使在高温环境下，恒温晶振的供电电流也会大于1 mA，为了提高转换效率，本设计不再设置“假负载”。

5 结构设计

开关电源对恒温晶振的噪声影响有一部分是通过印制板线路传播，经过滤波器以及LDO可以有效抑制。但是空间辐射的干扰无法通过滤波来处理，本设计采用金属壳体将电路全面屏蔽。具体结构如图2（a）内部结构所示。

图2 模块结构及尺寸

其中，壳体和底座材质均为黄铜。壳体为一体冲压结构，底座上直接烧结管脚，保证其密闭性，印制板通过管脚焊接到底座上。成品尺寸为标准的1英寸结构，具体尺寸如图2（b）外形尺寸所示。

管脚定义如表1所示。

表1 电源模块管脚定义

6 实验验证

按照如图3所示的电路图搭建实验平台，设置开关电源输出为5.5 V，最终输出为5 V。

图3 电源模块外应用电路

其中，REN=10 kΩ，RT1=24 kΩ，RT2=100 KΩ，

CIN=COUT=10 uF。

首先验证其宽压输入特性，设置负载值为2A，当输入从3～36 V变化时，输出电压能够保持稳定。然后验证其负载特性，设置输入电压为24 V，输出负载从0～2 A变化时，输出电压会从5 V逐渐降低到4.97 V，负载调整率0.6%，考虑到开关电源以及线性稳压器特性，为输出电压值在正常范围内。

用一恒温晶振测试本设计的有效性，实验用供电电源为12 V，被测恒温晶振供电电压为5 V，输出信号频率为10 MHz，恒温晶振稳定电流210 mA。

首先，先用LDO为被测晶振供电，此时供电质量不会影响晶振的相噪，然后用不加滤波以及LDO的开关电源为晶振供电，最后用本文设计的电源模块为晶振供电，测试晶振的相噪，测试结果如图4所示。

图4 实验测试结果

用LDO供电时，效率值约为40%，其供电时晶振相噪特性较好。但是直接用开关电源供电时，相噪特性会很大程度的恶化，尤其在10 kHz～1 MHz之间，相噪整体恶化大于5 dmc/Hz，且存在尖峰值较大的特定频率噪声。对比前两个实验结果，可以看出，开关电源对恒温晶振相噪影响较大。但是此时电源转换效率较高约为85%。本文所设计模块为晶振供电时，晶振相噪特性与LDO供电相比会有一定程度的恶化，但是与单独用开关电源供电时相比，相噪特性有明显改善，且整个相噪图比较平滑。且此时转换效率约为80%，远高于LDO供电。

7 结 论

本文结合开关电源输入电压范围宽、体积小、转换效率高与LDO输出电压稳定、电压精度高、噪声低的优点，设计了一款电源模块。该电源模块虽然没有根本解决开关电源噪声大以及LDO转换效率低的问题，但是本设计采取的折中办法，在现有技术条件下既降低了开关电源的噪声，又保证了较高的转换效率。本电源模块输入范围为3～36 V，输出0～20 V连续可调，当此电源模块为恒温晶振供电时，能够保证其相位噪声基本不恶化，因此，给该模块的广泛应用奠定了良好的基础。