擴(kuò)頻頻率調(diào)制以降低 EMI

電磁輻射 (EMR)、電磁干擾 (EMI) 和電磁兼容性 (EMC) 是涉及來自帶電粒子的能量以及可能干擾電路性能和信號傳輸?shù)南嚓P(guān)磁場的術(shù)語。隨著無線通信的激增，通信裝置不計(jì)其數(shù)，再加上越來越多的通信方法 (包括蜂窩、Wi-Fi、衛(wèi)星、GPS 等) 使用的頻譜越來越多 (有些頻帶相互重疊)，電磁干擾成了客觀存在的事實(shí)。為了減輕此影響，許多政府機(jī)構(gòu)和監(jiān)管組織對通信裝置、設(shè)備和儀器可發(fā)射的輻射量設(shè)定了限制。這類規(guī)范的示例之一是 CISPR 16-1-3，它涉及無線電干擾和抗擾度測量設(shè)備和測量方法。

根據(jù)其特征，電磁干擾可分為傳導(dǎo)干擾 (通過電源傳輸) 或輻射干擾 (通過空氣傳輸)。開關(guān)電源會產(chǎn)生兩種類型的干擾。ADI 公司為減少傳導(dǎo)干擾和輻射干擾實(shí)施的一項(xiàng)技術(shù)是擴(kuò)頻頻率調(diào)制 (SSFM)。該技術(shù)用于我們一些基于電感和電容的開關(guān)電源、硅振蕩器和 LED 驅(qū)動器，將噪聲擴(kuò)展到更寬的頻帶上，從而降低特定頻率下的峰值噪聲和平均值噪聲。

SSFM 不允許發(fā)射能量在任何接收器的頻帶中停留過長時(shí)間，從而改善了 EMI。有效 SSFM 的關(guān)鍵決定因素是頻率擴(kuò)展量和調(diào)制速率。對于開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)用來說，典型擴(kuò)展量為 ±10%，最佳調(diào)制速率取決于調(diào)制方式。SSFM 可采用各種頻率擴(kuò)展方法，例如使用正弦波或三角波調(diào)制時(shí)鐘頻率。

調(diào)制方法

大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器都會呈現(xiàn)與頻率相關(guān)的紋波：開關(guān)頻率越低則紋波越多，開關(guān)頻率越高則紋波越少。因此，如果對開關(guān)時(shí)鐘進(jìn)行頻率調(diào)制，則開關(guān)穩(wěn)壓器的紋波將呈現(xiàn)幅度調(diào)制。如果時(shí)鐘的調(diào)制信號是周期性的 (例如正弦波或三角波)，則將呈現(xiàn)周期性的紋波調(diào)制，而且在調(diào)制頻率上存在一個明顯的頻譜分量 (圖 1)。

圖 1.由時(shí)鐘的正弦波頻率調(diào)制引起的開關(guān)穩(wěn)壓器紋波圖解。

由于調(diào)制頻率遠(yuǎn)低于開關(guān)穩(wěn)壓器的時(shí)鐘頻率，因此可能難以濾除。由于下游電路中的電源噪聲耦合或有限的電源抑制，這可能導(dǎo)致可聽音或明顯的偽像等問題。偽隨機(jī)頻率調(diào)制能夠消除這種周期性紋波。采用偽隨機(jī)頻率調(diào)制時(shí)，時(shí)鐘以偽隨機(jī)方式從一個頻率轉(zhuǎn)換到另一個頻率。由于開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波由類噪聲信號進(jìn)行幅度調(diào)制，因此輸出看似沒有進(jìn)行調(diào)制，而且下游系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。

調(diào)制量

隨著 SSFM 頻率范圍的增加，帶內(nèi)時(shí)間的百分比減少。從下方圖 2 中可以看到，與單個未調(diào)制的窄帶信號相比，調(diào)制頻率呈現(xiàn)為寬帶信號而且峰值降低 20 dB。如果發(fā)射信號不常進(jìn)入接收器的頻帶而且停留的時(shí)間很短 (相對于其響應(yīng)時(shí)間)，則可以顯著降低 EMI。例如，在降低 EMI 方面，±10% 的頻率調(diào)制比 ±2% 的頻率調(diào)制有效得多。1不過，開關(guān)穩(wěn)壓器所能容許的頻率范圍是有限的。一般來說，大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器都能輕松容忍 ±10% 的頻率變化。

圖 2.擴(kuò)頻調(diào)制在更寬的時(shí)鐘頻帶內(nèi)產(chǎn)生更低的峰值能量。

調(diào)制速率

與調(diào)制量類似，對于某個給定的接收器，隨著頻率調(diào)制速率的增加 (跳頻速率)，給定接收器的 EMI 處于帶內(nèi)的時(shí)間將減少，因此 EMI 將降低。然而，開關(guān)穩(wěn)壓器所能跟蹤的頻率變化速率 (dF/dt) 具有一個限值。其解決方案則是找出那個不影響開關(guān)穩(wěn)壓器輸出調(diào)節(jié)性能的最高調(diào)制速率。

測量 EMI

測量 EMI 的典型方法為峰值檢測、準(zhǔn)峰值檢測或平均值檢測。對于這些測試而言，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置測試設(shè)備的帶寬，以反映實(shí)際目標(biāo)帶寬并確定 SSFM 的有效性。在進(jìn)行頻率調(diào)制時(shí)，檢測器會隨著發(fā)射掃描整個檢測器的頻帶而進(jìn)行響應(yīng)。當(dāng)檢測器的帶寬相較于調(diào)制速率較小時(shí)，檢測器的有限響應(yīng)時(shí)間會導(dǎo)致 EMI 測量值衰減。相反，檢測器的響應(yīng)時(shí)間不會影響固定頻率發(fā)射，從而不會觀測到 EMI 衰減。峰值檢測測試顯示通過 SSFM 得到的改善直接對應(yīng)于衰減量。準(zhǔn)峰值檢測測試還可以顯示進(jìn)一步的 EMI 改善，因?yàn)樗苏伎毡鹊挠绊憽＞唧w而言，固定頻率發(fā)射產(chǎn)生 100% 的占空比，而來自 SSFM 的占空比隨發(fā)射在檢測器頻帶內(nèi)所占的時(shí)間量而減少。最后，平均值檢測測試能夠顯示最明顯的 EMI 改善，因?yàn)樗褂玫屯ㄟ^濾峰值檢測信號，從而生成平均帶內(nèi)能量。在固定頻率發(fā)射時(shí)，平均值和峰值能量相等，SSFM 則不同，它對峰值檢測能量和帶內(nèi)時(shí)間量均進(jìn)行衰減，從而產(chǎn)生更低的平均值檢測結(jié)果。許多監(jiān)管測試要求系統(tǒng)通過準(zhǔn)峰值和平均值兩種檢測測試。

SSFM 和接收器帶寬

無論是否啟用 SSFM，在任何時(shí)刻，開關(guān)穩(wěn)壓器的峰值發(fā)射可能看起來都是相同的。這怎么可能？SSFM 的有效性部分取決于接收器的帶寬。要接收瞬時(shí)的發(fā)射快照，需要無限帶寬。每個實(shí)際系統(tǒng)的帶寬都是有限的。如果時(shí)鐘頻率的變化快于接收器的帶寬，將顯著降低接收干擾。

圖 3.使用啟用 SSFM 和未啟用 SSFM 的 LTC6908 開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出頻譜 (9 kHz 分辨率帶寬)。

硅振蕩器中的 SSFM

LTC6909、LTC6902 和 LTC6908 是具有擴(kuò)頻調(diào)制的八相、四相和雙相輸出的多相硅振蕩器。這些器件通常用于為開關(guān)電源提供時(shí)鐘。多相操作有效地增加了系統(tǒng)的開關(guān)頻率 (因?yàn)橄辔槐憩F(xiàn)為開關(guān)頻率的增加)，并且擴(kuò)頻調(diào)制使每個器件在一定頻率范圍內(nèi)開關(guān)，從而在更寬的頻帶上擴(kuò)展傳導(dǎo) EMI。LTC6908 具有 5 kHz 至 10 MHz 的頻率范圍，提供兩個輸出，并具有兩種可選版本：LTC6908-1 提供具有 180° 相移的兩個輸出，而 LTC6908-2 提供具有 90° 相移的兩個輸出。前者非常適合同步兩個單開關(guān)穩(wěn)壓器，后者則非常適合同步兩個雙相雙開關(guān)穩(wěn)壓器。四通道 LTC6902 具有 5 kHz 至 20 MHz 的頻率范圍，可編程用作等間距的雙相、三相或四相輸出。LTC6909 具有 12 kHz 至 6.67 MHz 的頻率范圍，最多可編程提供八相輸出。

為了解決上述周期性紋波問題，這些硅振蕩器使用偽隨機(jī)頻率調(diào)制。利用該技術(shù)，開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)鐘以偽隨機(jī)方式從一個頻率轉(zhuǎn)換到另一個頻率。頻率偏移率或跳頻速率越高，開關(guān)穩(wěn)壓器在給定頻率下的工作時(shí)間越短，并且對于給定的接收器間隔，EMI 在帶內(nèi)的時(shí)間將越短。

圖 4.偽隨機(jī)調(diào)制說明了 LTC6908/LTC6909 內(nèi)部跟蹤濾波器的影響。

但是，跳頻速率有一個限制。如果頻率以超出開關(guān)穩(wěn)壓器帶寬的速率跳變，則可能會在時(shí)鐘頻率轉(zhuǎn)換邊沿發(fā)生輸出尖峰。較小的開關(guān)穩(wěn)壓器帶寬會導(dǎo)致更明顯的尖峰。因此，LTC6908 和 LTC6909 包含一個專有的跟蹤濾波器，可以實(shí)現(xiàn)從一個頻率到下一個頻率的平滑轉(zhuǎn)換 (LTC6902 采用一個 25 kHz 的內(nèi)部低通濾波器)。內(nèi)部濾波器跟蹤跳頻速率，為所有頻率和調(diào)制速率提供最佳平滑性能。

對于許多邏輯系統(tǒng)來說，這種濾波調(diào)制信號可能是可接受的，但必須仔細(xì)考慮逐周期的抖動問題。即便使用了跟蹤濾波器，給定穩(wěn)壓器的帶寬仍有可能不足以滿足高速率頻率調(diào)制的要求。為應(yīng)對帶寬限制，LTC6908/LTC6909 的跳頻速率可以從默認(rèn)速率 (即標(biāo)稱頻率的 1/16) 降低到標(biāo)稱頻率的 1/32 或 1/64。

電源中的 SSFM

開關(guān)穩(wěn)壓器基于逐周期運(yùn)行，以將功率傳輸?shù)捷敵?。在大多?shù)情況下，工作頻率要么是固定的，要么是基于輸出負(fù)載的常數(shù)。這種轉(zhuǎn)換方法在工作頻率 (基波) 和工作頻率的倍頻 (諧波) 下產(chǎn)生較大的噪聲分量。

點(diǎn)擊此處查看擴(kuò)頻頻率調(diào)制降壓型穩(wěn)壓器列表。 

LTM4608A：具有 SSFM 的 8 A、2.7 V 至 5.5 VIN DC/DC μModule^? 降壓型穩(wěn)壓器

為了降低開關(guān)噪聲，可以將 LTM4608A 的 CLKIN 引腳連接到 SVIN (低功耗電路電源電壓引腳) 以啟用擴(kuò)頻功能。在擴(kuò)頻模式下，LTM4608A 的內(nèi)部振蕩器設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，其周期在逐周期的基礎(chǔ)上是隨機(jī)的，但固定在標(biāo)稱頻率的 70% 到 130% 之間。這有利于在一定頻率范圍內(nèi)擴(kuò)展開關(guān)噪聲，從而顯著降低峰值噪聲。如果 CLKIN 接地或由外部頻率同步信號驅(qū)動，則禁用擴(kuò)頻操作。圖 5 顯示了啟用擴(kuò)頻操作的工作電路。必須在 PLL LPF 引腳上放置一個 0.01 μF 的接地電容，以控制擴(kuò)頻頻率變化的壓擺率。元件值由以下公式確定：

LT8609：具有 SSFM 的 42 V 輸入、2 A 同步降型轉(zhuǎn)換器

LT8609 是一款微功率降壓型轉(zhuǎn)換器，可在高開關(guān)頻率下保持高效率 (2 MHz 時(shí)為 93%)，從而允許使用更小的外部元件。SSFM 模式的操作類似于跳躍脈沖工作模式，其主要區(qū)別在于開關(guān)頻率由 3 kHz 三角波上下調(diào)制。調(diào)制范圍的低端通過開關(guān)頻率 (由 RT 引腳上的電阻設(shè)置) 設(shè)置，高端則設(shè)置為比 RT 設(shè)置的頻率高約 20%。要啟用擴(kuò)頻模式，須將 SYNC 引腳連接到 INTVCC 或?qū)⑵潋?qū)動到 3.2 V 和 5 V 之間的電壓。

圖 5.啟用擴(kuò)頻的 LTM4608A。

LTC3251/LTC3252：具有 SSFM 的電荷泵降壓型穩(wěn)壓器

LTC3251/LTC3252 是 2.7 V 至 5.5 V、單路輸出 500 mA/雙路輸出 250 mA 的電荷泵降壓型穩(wěn)壓器，可生成時(shí)鐘脈沖，其周期在逐周期的基礎(chǔ)上是隨機(jī)的，但固定在 1 MHz 到 1.6 MHz 之間。圖 6 和圖 7 顯示了與傳統(tǒng)降壓型轉(zhuǎn)換器相比，LTC3251 的擴(kuò)頻特性顯著降低了峰值諧波噪聲并幾乎消除了諧波。LTC3251 提供可選的擴(kuò)頻操作，而 LTC3252 則始終啟用擴(kuò)頻。

圖 6.禁用 SSFM 的 LTC3251。

圖 7.啟用 SSFM 的 LTC3251。

LED 驅(qū)動器中的 SSFM

LT3795：具有 SSFM 的 110 V 多拓?fù)?nbsp;LED 控制器

對于汽車和顯示屏照明應(yīng)用的 EMI 問題而言，開關(guān)穩(wěn)壓器 LED 驅(qū)動器也是個麻煩。為了提高 EMI 性能，LT3795 110 V 多拓?fù)?LED 驅(qū)動控制器集成了 SSFM。如果 RAMP 引腳上有一個電容，則會產(chǎn)生一個介于 1 V 和 2 V 之間的三角波。然后將該信號饋入內(nèi)部振蕩器，在基頻的 70％ 和基頻之間對開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)制，基頻由時(shí)鐘頻率設(shè)置電阻 RT 設(shè)定。調(diào)制頻率計(jì)算公式如下：

圖 8 和圖 9 顯示了傳統(tǒng)的升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器電路 (將 RAMP 引腳連接到 GND) 和啟用擴(kuò)頻調(diào)制的升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器 (RAMP 引腳上為 6.8 nF) 之間的噪聲頻譜比較。圖 8 顯示了平均值傳導(dǎo) EMI，圖 9 顯示了峰值傳導(dǎo) EMI。EMI 測量的結(jié)果易受使用電容選擇的 RAMP 頻率的影響。1 kHz 是優(yōu)化峰值測量的良好起點(diǎn)，但為了在特定系統(tǒng)中獲得整體 EMI 的最佳結(jié)果，可能需要對該值進(jìn)行一些微調(diào)。

圖 8.LT3795 平均值傳導(dǎo) EMI。

圖 9.LT3795 峰值傳導(dǎo) EMI。

LT3952：具有 SSFM 的多拓?fù)?nbsp;42 VIN、60 V/4 A LED 驅(qū)動器

LT3952 是一款 60 V/4 A 電源開關(guān)式、恒流、恒壓、多拓?fù)?nbsp;LED 驅(qū)動器，提供可選的 SSFM。振蕩器頻率以偽隨機(jī)方式從標(biāo)稱頻率 (fSW) 變化到高于標(biāo)稱值的 31%，步長為 1%。這種單向調(diào)整使 LT3952 只需將標(biāo)稱頻率編程至其上方一點(diǎn)就可以避免系統(tǒng)中的敏感頻帶 (例如 AM 無線電頻譜)。成比例的步長允許用戶輕松確定適用于指定的 EMI 測試倉大小的時(shí)鐘頻率值 (RT 引腳)，并且偽隨機(jī)方法可以從頻率變化本身提供音調(diào)抑制。

偽隨機(jī)值的更新使用 fSW/32 的速率，與振蕩器頻率成正比。該速率允許整組頻率在標(biāo)準(zhǔn) EMI 測試停留時(shí)間內(nèi)多次通過。

圖 10.LT3952 平均值傳導(dǎo) EMI。

ADI 公司還提供許多其他產(chǎn)品，可以有效地利用設(shè)計(jì)技術(shù)來降低 EMI。如上所述，使用 SSFM 是其中一種技術(shù)。其他方法還包括減緩快速內(nèi)部時(shí)鐘邊沿和內(nèi)部濾波。采用我們的 Silent Switcher^? 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了另一種創(chuàng)新方法，通過布局有效降低 EMI。LT8640 是一款獨(dú)特的 42 V 輸入、微功率同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，它將 Silent Switcher 技術(shù)和 SSFM 相結(jié)合以降低 EMI。因此，當(dāng)您在設(shè)計(jì)中再次遇到 EMI 問題時(shí)，請務(wù)必查看我們的低 EMI 產(chǎn)品，以幫助您更輕松地符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。

注釋：

對于微處理器和數(shù)據(jù)時(shí)鐘，±2% 的 SSFM 很常見，因?yàn)樗鼈儾荒苋萑梯^大的頻率變化。

完全偽隨機(jī)序列的重復(fù)速率保證小于 20 Hz。

作者簡介

Greg Zimmer 是 ADI 公司電池管理系統(tǒng)部的營銷經(jīng)理，在各種高性能信號調(diào)理 IC 的產(chǎn)品營銷方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。Greg 擁有營銷、技術(shù)營銷、應(yīng)用工程和模擬電路設(shè)計(jì)等方面的背景。

Greg 擁有加州大學(xué)伯克利分校電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)士學(xué)位以及加州大學(xué)圣克魯茲分校經(jīng)濟(jì)學(xué)學(xué)士學(xué)位。Kevin Scott 是 ADI 公司電源產(chǎn)品部的產(chǎn)品營銷經(jīng)理，負(fù)責(zé)管理升壓、降壓-升壓和隔離轉(zhuǎn)換器以及 LED 驅(qū)動器和線性穩(wěn)壓器。他曾擔(dān)任高級戰(zhàn)略營銷工程師，負(fù)責(zé)制定技術(shù)培訓(xùn)內(nèi)容，培訓(xùn)銷售工程師，并撰寫了大量關(guān)于公司眾多產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢的網(wǎng)站文章。他在半導(dǎo)體行業(yè)已有 26 年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，擔(dān)任過應(yīng)用、業(yè)務(wù)管理和營銷數(shù)個職務(wù)。

Kevin 于 1987 年畢業(yè)于斯坦福大學(xué)，獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位，并在短暫的 NFL (美國橄欖球聯(lián)盟) 生涯后開始了他的工程技術(shù)職業(yè)生涯。