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利用擴(kuò)頻轉(zhuǎn)換技術(shù)改善開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中的EMI

作者: 時(shí)間:2012-11-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/176003.htm

  應(yīng)用降低

  解決問題的另一方法雖然不會(huì)增加系統(tǒng)整體的能量,但會(huì)在頻譜峰值時(shí)不可避免的產(chǎn)生過多能量。一般來說,電源不能通過EMI測試不是因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生出過量的干擾能量,而是這些能量過于集中在某幾個(gè)頻率或超出了狹窄的頻帶。就是據(jù)此來EMI的性能,現(xiàn)今這項(xiàng)已被廣泛應(yīng)用到通信系統(tǒng)和消費(fèi)設(shè)備上。這個(gè)方法能夠?qū)⒓性谏贁?shù)頻率點(diǎn)或頻帶上的能量再重新分布到較寬闊的頻帶上,這樣便可降低在所有頻率下的電流和電壓的平均峰值,并同時(shí)保持波形的整體能量水平。

圖3電源中基于固定頻率和擴(kuò)頻轉(zhuǎn)換的理想化頻譜


  基本上,使用在電源轉(zhuǎn)換技術(shù)會(huì)周期性地改變或抖動(dòng)開關(guān)頻率。這種改變使得頻譜內(nèi)原本處于開關(guān)頻率和其諧波的一連串大尖峰變換成一個(gè)比較平滑和持續(xù)性更強(qiáng)的頻譜,其中峰值較低且排列得較密,出現(xiàn)的頻率數(shù)量較多。采用不同的實(shí)現(xiàn)方法,峰值可以比原先開關(guān)頻率時(shí)的減少20dB,其中最大和最麻煩的尖峰通常都可被處理掉。

  在實(shí)際應(yīng)用中,通常所采用的頻率變化都不會(huì)超出10%,足以展示出擴(kuò)頻轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)。這種變化限制有一個(gè)莫大的好處,便是容許設(shè)計(jì)與在抖動(dòng)范圍內(nèi)固定頻率下開關(guān)的一模一樣。轉(zhuǎn)換器的功率組件維持不變,因此開關(guān)損耗和效率都是一樣的。由于每一個(gè)頻率組件的值相較以前的都顯著降低了,因此可使用相同的,甚至更簡單更便宜的濾波器。

  擴(kuò)頻轉(zhuǎn)換是一種可EMI性能的低成本方法,原因是無需在電路上加入任何的電源組件,而且不需增大其尺寸或等級(jí)。這項(xiàng)技術(shù)可以作為電源管理電路的固有特色,其實(shí)現(xiàn)的代價(jià)也很低。目前,市面上主要的電路供應(yīng)商已開始在他們的產(chǎn)品中采用擴(kuò)頻技術(shù)(參考文獻(xiàn)1)。

  擴(kuò)頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

  電源中最常用的兩種擴(kuò)頻實(shí)現(xiàn)方法是隨機(jī)載頻(RCF)和頻率調(diào)制。


在RCF方案中,采用偽隨機(jī)噪聲產(chǎn)生器來抖動(dòng)頻率,頻率在fc-ΔF到fc+ΔF之間周期性隨機(jī)變化。其中fc是中間頻率,或是原本的固定開關(guān)頻率,一般都是處于100KHz~1MHz范圍內(nèi)。正如之前解釋過,ΔF不會(huì)超過fc的5%~10%,每一個(gè)在這個(gè)范圍以內(nèi)的頻率包括fc都具有相同的或然率,這使到原本的頻率尖峰可以轉(zhuǎn)換成一個(gè)分布于頻率抖動(dòng)范圍內(nèi)的較平整頻譜,正如圖3所示。原本集中在fc處的能量現(xiàn)在已在較低的水平下被平均分布,而頻帶范圍擴(kuò)大到2?F寬。由于電源轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)頻率是一個(gè)方波,它包含有諧波,而且理論上會(huì)出現(xiàn)在單倍數(shù)的頻率上,例如是3fc、5fc、7fc等如此類推,因此采用RCF方法的頻率抖動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)諧波,而這些諧波會(huì)分別平均分布在3(fc-ΔF)到3(fc+ΔF)、5(fc-ΔF)到5(fc+ΔF)和7(fc-ΔF)到7(fc+ΔF)等如此類推的范圍內(nèi)。然而,當(dāng)諧波愈大,頻譜便會(huì)變得更平滑和更寬闊,原因是它將散布到更寬闊的2nΔF的范圍,其中的n代表諧波數(shù)。結(jié)果,諧波中的峰值能量將會(huì)隨著諧波數(shù)的上升而以更快的速度減少。

圖4采用頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)頻使基本開關(guān)頻率的尖峰削減以及使邊帶呈現(xiàn)鋸齒形

  固定頻率轉(zhuǎn)換和抖動(dòng)轉(zhuǎn)換的頻譜的頻譜

  另一種抖動(dòng)技術(shù)——“頻率調(diào)制”是商用電源管理集成電路中所常采用的擴(kuò)頻實(shí)現(xiàn)技術(shù),例如美國國家半導(dǎo)體的LM3370(參考文獻(xiàn)2)。采用這個(gè)方法,固定開關(guān)頻率(典型值同樣是介乎100kHz~1MHz范圍內(nèi))會(huì)在1KHz~2KHz的范圍內(nèi)于頻率fm下被調(diào)制,產(chǎn)生出一個(gè)寬帶頻率調(diào)制波形,其頻譜會(huì)在基本開關(guān)頻率的周圍出現(xiàn)較低和較高的邊帶,而帶寬為2ΔF = (ΔF+fc)-(ΔF-fc)。換句話說,在原本固定開關(guān)頻率下的原本高幅度頻譜會(huì)被群集在調(diào)制前譜線周圍的較低幅度邊帶所取代。FM技術(shù)的頻譜可以設(shè)計(jì)成與RCF方案類似,而且亦可由圖3來表示。然而,頻譜組合和邊帶的波形精度會(huì)取決于調(diào)制頻率的變化過程。正如圖4所示,fm的最佳調(diào)制模式會(huì)使得固定幅度的邊帶波形呈現(xiàn)鋸齒狀?,F(xiàn)在,轉(zhuǎn)換器可以較容易地通過EMI測試。與RCF的情況類似,在每一個(gè)諧波頻率處的邊帶寬度會(huì)與諧波數(shù)n成正比,而相鄰諧波的邊帶會(huì)逐漸重疊,使頻譜變得比較平滑,同時(shí)提高噪聲地,而帶有的峰值比起原本固定頻率諧波的低很多。結(jié)果,開關(guān)能量在頻率范圍內(nèi)的分布將更加平均,使電源更容易符合EMI的規(guī)格。

  總之,由于效率高且成本經(jīng)濟(jì),擴(kuò)頻轉(zhuǎn)換抑制EMI的技術(shù)將會(huì)更廣泛的應(yīng)用到中。

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