利用頻率擴展技術改善開關的EMI性能

　　由于開關穩(wěn)壓器能夠極大地節(jié)省空間并具有極低的功耗，因此這種穩(wěn)壓器正在逐步取代線性穩(wěn)壓器，而進入各種新型應用中。但是，開關穩(wěn)壓器有一個缺點，其內部開關電流可能產生電磁干擾(EMI)。EMI的峰值能量集中在開關頻率上，降低EMI的傳統(tǒng)方法是謹慎處理接地、屏蔽和濾波。這些降低EMI的方法以控制和抑制穩(wěn)壓器內部開關電流所產生的輻射為主。降低開關電流的幅度和改變頻率也能降低EMI。確切地說，多相同步和擴展頻譜頻率調制(SSFM)是降低EMI的兩種強有力的工具。

　　多相同步技術

　　采用多個同步開關取代單個開關可以降低峰值開關電流。這種方法就是多相同步，通過從外部驅動開關來實現(xiàn)，它用一個外部時鐘使穩(wěn)壓器之間產生相移。多相同步將每個開關的接通時間錯開，這樣在以前是死區(qū)的地方就有了輸入電流。圖1顯示的是用單個200kHz時鐘工作的兩個開關穩(wěn)壓器的電源電流。左圖顯示的是未采用時鐘同步方法時的電流。右邊的圖顯示的則是讓第二個穩(wěn)壓器時鐘有180°相移時的電流，結果在兩倍頻(400kHz)上出現(xiàn)了較小的峰值電流，因此峰值EMI也較小。由于EMI現(xiàn)在于兩倍頻上，所以可以進一步降低，因為在較高頻率上濾波更有效。通過將時鐘信號相位劃分成多個相位增量，可以同步更多的穩(wěn)壓器，而每增加一個穩(wěn)壓器都會使EMI降低一些。很多兩相和多相穩(wěn)壓器都通過內置時鐘相移來實施多相同步。

　　利用外部時鐘實現(xiàn)多相同步允許多個兩相或多相穩(wěn)壓器同步，而且根據(jù)電源要求需使用多個獨立的穩(wěn)壓器時，有時也必須用外部時鐘進行多相同步。硅振蕩器非常適用于這類應用，因為硅振蕩器能夠提供多個頻率和相位可編程的輸出。

　　應該提到的是，多相同步的好處遠不止于改善EMI。使用多個并聯(lián)的同步穩(wěn)壓器的一個基本作用是消除輸入和輸出的紋波電流，從而允許使用尺寸小得多的輸入和輸出電容器。多相解決方案具有較小的等效電感，因此可以實現(xiàn)較高的電流轉換率。就負載瞬態(tài)而言，多相解決方案還具有較短的開關延遲時間。負載瞬態(tài)響應得到改善以后，所需的輸出電容可以進一步減小。

　　圖1：未采用和采用相位同步的兩個開關穩(wěn)壓器的電源電流。

　　擴展頻譜頻率調制

　　對EMI的最大改善可以通過不斷改變開關的時鐘頻率來實現(xiàn)。這種方法叫做SSFM，它改善EMI的道理是，不允許輻射的能量在任何接收器頻帶內長時間停留。開關穩(wěn)壓器采用SSFM的有效性取決于頻率擴展量(典型值為±10%)和調制方式。

　　大多數(shù)開關都產生隨頻率變化的紋波，開關頻率越低、紋波越大，開關頻率越高、紋波越小。因此，如果開關時鐘是頻率調制的，那么開關的紋波就產生幅度調制。如果時鐘的調制信號是周期性的，如正弦波或三角波，那么就會出現(xiàn)周期性紋波調制，而且在調制頻率處出現(xiàn)一個截然不同的頻譜分量。因為調制頻率遠低于開關的時鐘頻率，因此可能難以濾除。這有可能導致系統(tǒng)問題，如出現(xiàn)可聽單音或可見干擾，引起電源噪聲耦合或下行電路電源抑制受限問題。

　　偽隨機頻率調制可以避免這種周期性紋波。采用偽隨機頻率調制方法時，開關穩(wěn)壓器的時鐘以偽隨機方式從一個頻率轉移到另一個頻率。由于開關輸出紋波的幅度是由一個類似噪聲的信號調制，因此輸出看起來好像沒有調制一樣，對下行系統(tǒng)的影響也微不足道。頻率轉移的速度或稱跳變速率越快，開關在給定頻率上工作的時間就越短(如圖2所示)，就給定接收器而言，EMI在“帶內”的時間也就越短。

　　圖2：偽隨機調制和LTC6908跟蹤濾波器的作用。

　　不過，開關能跟得上的頻率變化速度(df/dt)是有限的。時鐘頻率突變時，在時鐘頻率的過渡邊緣將出現(xiàn)輸出尖峰(與負載階躍響應非常類似)。較低的帶寬開關其尖峰更加顯著。出于這個原因，凌力爾特公司最新的SSFM振蕩器LTC6908中含有一個專有跟蹤濾波器，用以平滑從一個頻率向下一個頻率的過渡。大多數(shù)開關的帶寬都是標稱開關頻率的1/10至1/20，這剛好適合LTC6908，LTC6908的缺省調制速率為標稱時鐘頻率的1/16。就帶寬有限的開關而言，LTC6908的調制速率可以降低至標稱時鐘頻率的1/32或甚至1/64，以確保恰當?shù)胤€(wěn)壓。內部濾波器跟蹤跳變速率，以在所有頻率和調制速率上實現(xiàn)最佳的平滑效果。

　　圖3：采用LTC6908的開關穩(wěn)壓器輸出頻譜(9kHz分辨率帶寬，峰值檢波器)。

　　圖4：LTC6908驅動兩個開關穩(wěn)壓器示意圖。

　　SSFM確實有用嗎？

　　在電磁兼容(EMC)領域，開關幾乎總是發(fā)射器，而其它所有東西都可能是接收器。在任意時刻，開關穩(wěn)壓器的峰值輻射看起來都是相同的，不管SSFM是否啟用。瞬時輻射的幅度是不變的，但是瞬時輻射的頻率確實在變。那么，SSFM怎么起作用呢？SSFM的有效性取決于頻率擴展量和頻率調制速率與接收器帶寬的相對關系。接收器要接收輻射“瞬態(tài)表征”，就需要具有無限大的帶寬，所幸的是，每個實際系統(tǒng)都只具有有限的帶寬。系統(tǒng)帶寬決定了兩個重要特性：接收器響應的頻率范圍；在遇到EMI時接收器的響應(其響應時間)有多快。如果相對于系統(tǒng)的響應時間，輻射信號不常進入測量系統(tǒng)的頻帶，而且進入以后停留時間非常短，那么EMI就會極大地降低。當然，系統(tǒng)不同，性能提升情況也不同，而且盡管SSFM可以帶來改善，但是不能用SSFM取代標準布線、濾波和屏蔽等方法。

　　表1：目前規(guī)定的各種帶寬一覽表。

　　除了要考慮系統(tǒng)內的EMC問題，所有系統(tǒng)都需要通過管理機構規(guī)定的EMC測試，這樣才能進入市場銷售。在管理機構規(guī)定的EMC測試中，測試設備的帶寬按照嚴格定義的標準設定(CISPR 16-1)，這些標準反映人們感興趣的實際帶寬。管理機構首先使用稱為峰值檢波器的包絡檢波器。合格的峰值檢波器測量結果進一步用準峰值檢波器處理，以根據(jù)信號的重復速率權衡信號測量的效果。很多機構還用平均檢波器進行測試，簡單地說，就是通過頻率非常低的低通濾波器處理峰值檢波后的輸出。

　　前面討論的各種機制在這里也同樣起作用。具體地說，通過限制輻射在測量頻帶內停留的時間，SSFM降低了峰值檢波器的測量值。如果輻射不常進入測量頻帶，用準峰值檢波器會帶來進一步改善，而且用平均檢波器甚至會帶來更大的改善，因為平均帶內時間縮短了。

　　本文小結

　　使用多個開關穩(wěn)壓器時，多相同步具有顯而易見的好處(如降低EMI)。至于SSFM在降低EMI方面的作用，這取決于人們感興趣的帶寬。SSFM不能取代合適的設計，但是這種方法可以帶來改善，以符合有關EMC的規(guī)定。多相同步和SSFM實施起來都很簡單。采用凌力爾特公司的LTC6908，其標稱開關頻率可以用單個電阻設置，擴頻量是固定在的±10%，輸出之間的相位關系也是固定的。用戶只要在3個調制頻率中選定一個，SSFM就啟動了，因此從SSFM獲益就像“按開關”一樣容易。