避免噪聲在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的擴(kuò)頻功率控制

物聯(lián)網(wǎng)(IOT)設(shè)備的一個關(guān)鍵特性是其在低功耗無線鏈路傳送數(shù)據(jù)的能力。需要被發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)的敏感性質(zhì)意味著措施需要采取以固定鏈路。以及使用加密通信，竊聽的風(fēng)險可以通過限制網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，并使用編碼方案，使位難以從隨機(jī)噪聲區(qū)分被降低。

其結(jié)果是，射頻靈敏度在提高安全性，因?yàn)樗试S使用低功率水平和更先進(jìn)的編碼方案所采用了很大的作用。然而，對于接收靈敏度的需求放置在可以在裝置內(nèi)可以容忍的噪聲級的嚴(yán)格要求。低能量的無線電接收機(jī)通常易受窄帶被集中在特定的頻率，特別是因?yàn)樵搮f(xié)議會經(jīng)常使用窄帶信道，使得避免干擾更困難的噪聲。

雖然這是可以調(diào)整的時鐘源，使得內(nèi)部干擾避免產(chǎn)生與特定RF傳輸頻帶干擾諧波的主要原因，對靈活性的需求正在此難以在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)?？瞻谉o線電系統(tǒng)如失重需求，該射頻子系統(tǒng)是頻率捷 - 使得在次，接收器需要抗衡本地產(chǎn)生的干擾。其結(jié)果是，電磁干擾(EMI)，在電路設(shè)計的抑制變得越來越重要。

EMI在任何電子系統(tǒng)的主要來源是電源子系統(tǒng)。大多數(shù)設(shè)計提供穩(wěn)定的電源軌的負(fù)載(POL)點(diǎn)已經(jīng)從使用模擬低壓差(LDO)穩(wěn)壓器的移動來提供穩(wěn)定的電源軌開關(guān)模式DC / DC轉(zhuǎn)換器。雖然開關(guān)型直流/直流轉(zhuǎn)換器提供高效率，最大限度提高，可以從一個單一的電池充電中回收的能量，它們的開關(guān)行為可以是噪聲的主要來源。的主要來源是用來驅(qū)動脈沖寬度PWM轉(zhuǎn)換電路的時鐘。

PWM控制方法采用的輸出電壓的一個樣本減去這從基準(zhǔn)電壓建立了小的誤差信號。該誤差信號進(jìn)行比較，以由一個振蕩器，其通常運(yùn)行在一個固定的頻率驅(qū)動一個常規(guī)的斜坡信號。比較器輸出可以操作電源開關(guān)的數(shù)字輸出。當(dāng)電路的輸出電壓變化時，誤差信號也改變，從而使比較器的閾值發(fā)生變化。因此，輸出脈沖寬度也改變。此占空比變化之后移動的輸出電壓，以減小誤差信號到零，這樣就完成了控制回路。

從PWM常規(guī)脈沖作為轉(zhuǎn)換器每個循環(huán)接通或斷開，這取決于斜坡信號的方向，使得在兩個線路和中性節(jié)點(diǎn)在輸入級的輸入噪聲。這個噪聲表現(xiàn)跨開關(guān)頻率的諧波，因此它可以很容易地達(dá)到成用于傳輸和接收RF范圍。以減少被耦合到下游電路的噪聲的一種方法是使用EMI濾波器。但是，這些將增加成本和重量對整個系統(tǒng)，其中，在小的IoT和可穿戴設(shè)備的情況下，常常是不可接受的。

一種日益流行的替代添加組件是要改變基于PWM轉(zhuǎn)換器本身。雖然脈沖需要在一個合理的定期生成，上用于平滑列于電源軌的電壓輸出端的電容裝置的能量的脈沖不需要在精確的時間被提供。相反，驅(qū)動PWM電路的時鐘信號可被調(diào)制以便與該時鐘的干擾分布在更寬的帶寬。

該技術(shù)最早是近20年前的探索作為降低EMI的一種手段，通過惠普的工程師科內(nèi)利斯·胡克斯特拉在公司的技術(shù)刊物記載，主要是為了應(yīng)對高次諧波的影響，這被證明更加難以盾反，哪些可以的RF信號和接收質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。胡克斯特拉的論文已經(jīng)成為了所謂的擴(kuò)頻時鐘的標(biāo)準(zhǔn)參考。

霍克斯特拉看到更大的效果與高次諧波：“的頻率偏差增加線性的絕對值與諧波數(shù)，使頻譜能量分布在一個較大的范圍內(nèi)，在高次諧波，而濾波器的在其上的光譜能量被測量的寬度是固定的“。

惠普嘗試的第一個方案是基于非常簡單的方波調(diào)制。結(jié)果 - 滯后和過沖的電路意味著時鐘頻率不會簡單地兩個離散值之間轉(zhuǎn)換，但沒有從一個頻率的直接換檔。盡管該方案的簡單，它成功地傳播高峰使設(shè)備能夠通過FCC輻射測試，惠普擔(dān)心的時候。

諧波擴(kuò)展的圖像

圖1：通過擴(kuò)頻調(diào)制傳播諧波。

后來嘗試擴(kuò)頻調(diào)制都集中在更復(fù)雜的時鐘控制技術(shù)，采用正弦波，三角波調(diào)制和隨機(jī)調(diào)制。這些技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)從主系統(tǒng)時鐘在對噪聲敏感的應(yīng)用中使用的直流/直流轉(zhuǎn)換器和其它電力系統(tǒng)結(jié)轉(zhuǎn)。

正弦波的頻譜的圖像

圖2：由一正弦調(diào)制器調(diào)制的正弦波的頻譜。

從爾特的LTC6909擴(kuò)頻振蕩器的設(shè)計具有直流/直流轉(zhuǎn)換器的工作，如LTM4601以高達(dá)10分貝峰值頻率提供改進(jìn)的EMI。對于需要繪制較大功率的量的系統(tǒng)中，LTC6909可以產(chǎn)生多達(dá)八個相位同步輸出來驅(qū)動多個DC / DC轉(zhuǎn)換器。相位同步確保輸出紋波，確保將每個轉(zhuǎn)換器的總體時鐘周期的不同部分期間切換最小化。

與LTC6909，當(dāng)啟用擴(kuò)頻模式，過濾偽隨機(jī)噪聲被用于調(diào)制主時鐘信號。該調(diào)制產(chǎn)生一個大致平坦頻譜，中心在設(shè)定頻率與帶寬等于約百分之二十的中心頻率的。用于選擇擴(kuò)頻模式MOD引腳的狀態(tài)決定的調(diào)制速率，從FOUT / 16到FOUT / 64。振蕩器被優(yōu)化為500千赫和10兆赫之間的輸出頻率。

凌力爾特LTC6909的電源調(diào)制器的框圖。

圖3：LTC6909電源調(diào)制器的框圖。

德州儀器的TPS8267x是一個完整的600毫安DC / DC降壓轉(zhuǎn)換器適用于低功耗應(yīng)用，集成了擴(kuò)頻頻率調(diào)制器。還包括在封裝中的開關(guān)穩(wěn)壓器，電感器和輸入和輸出電容，相適應(yīng)微型SIP設(shè)備到空間敏感的IoT的應(yīng)用程序。

該轉(zhuǎn)換器工作在規(guī)范的5.5 MHz的開關(guān)頻率，以擴(kuò)展頻譜的支持，使該器件能夠替代低噪聲線性穩(wěn)壓器更好的電源轉(zhuǎn)換效率。擴(kuò)頻架構(gòu)由大約±10%的標(biāo)稱開關(guān)頻率的變化的開關(guān)頻率，采用了三角波調(diào)制的頻率。

擴(kuò)頻技術(shù)可以擴(kuò)展超過直流/直流轉(zhuǎn)換器，以于需要隔離電源軌的IoT儀器。 Maxim的集成MAX13253是1，推拉，有其自身的內(nèi)部振蕩器，采用單+3 V至+5.5 V電源變壓器驅(qū)動器。變壓器的次級到初級繞組比率定義了輸出電壓，允許選擇幾乎任何隔離輸出電壓與電流隔離的。

集成振蕩器驅(qū)動一對用引腳可選擴(kuò)頻振蕩n溝道功率開關(guān)。進(jìn)一步降低對EMI是通過使用擺率控制的獲得。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來越普遍，并與RF靈敏度關(guān)注節(jié)能在一起就顯得更為重要，我們可以預(yù)期，如擴(kuò)頻功率控制技術(shù)有待進(jìn)一步探討。