根據(jù)其特征，電磁干擾可分為傳導干擾 (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 公司為減少傳導干擾和輻射干擾實施的一項技術(shù)是擴頻頻率調(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間，從而改善了 EMI。有效 SSFM 的關(guān)鍵決定因素是頻率擴展量和調(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 可采用各種頻率擴展方法，例如使用正弦波或三角波調(diào)制時鐘頻率。 

 

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)時鐘進行頻率調(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)制頻率遠低于開關(guān)穩(wěn)壓器的時鐘頻率，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，這可能導致可聽音或明顯的偽像等問題。偽隨機頻率調(diào)制能夠消除這種周期性紋波。采用偽隨機頻率調(diào)制時，時鐘以偽隨機方式從一個頻率轉(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行幅度調(diào)制，因此輸出看似沒有進行調(diào)制，而且下游系統(tǒng)的影響可以忽略不計。

 

調(diào)制量

 

隨著 SSFM 頻率范圍的增加，帶內(nèi)時間的百分比減少。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)射信號不常進入接收器的頻帶而且停留的時間很短 (相對于其響應(yīng)時間)，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.擴頻調(diào)制在更寬的時鐘頻帶內(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、準峰值檢測或平均值檢測。對于這些測試而言，適當?shù)卦O(shè)置測試設(shè)備的帶寬，以反映實際目標帶寬并確定 SSFM 的有效性。在進行頻率調(diào)制時，檢測器會隨著發(fā)射掃描整個檢測器的頻帶而進行響應(yīng)。當檢測器的帶寬相較于調(diào)制速率較小時，檢測器的有限響應(yīng)時間會導致 EMI 測量值衰減。相反，檢測器的響應(yīng)時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。準峰值檢測測試還可以顯示進一步的 EMI 改善，因為它包括了占空比的影響。具體而言，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，因為它使用低通過濾峰值檢測信號，從而生成平均帶內(nèi)能量。在固定頻率發(fā)射時，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)時間量均進行衰減，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。要接收瞬時的發(fā)射快照，需要無限帶寬。每個實際系統(tǒng)的帶寬都是有限的。如果時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)電源提供時鐘。多相操作有效地增加了系統(tǒng)的開關(guān)頻率 (因為相位表現(xiàn)為開關(guān)頻率的增加)，并且擴頻調(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展傳導 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頻率調(diào)制。利用該技術(shù)，開關(guān)穩(wěn)壓器時鐘以偽隨機方式從一個頻率轉(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間越短，并且對于給定的接收器間隔，EMI 在帶內(nèi)的時間將越短。

 

圖 4.偽隨機調(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速率 (即標稱頻率的 1/16) 降低到標稱頻率的 1/32 或 1/64。 

 

點擊此處查看擴頻頻率調(diào)制硅振蕩器。

 

電源中的 SSFM

 

開關(guān)穩(wěn)壓器基于逐周期運行，以將功率傳輸?shù)捷敵觥Ｔ诖蠖鄶?shù)情況下，工作頻率要么是固定的，要么是基于輸出負載的常數(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。
 

點擊此處查看擴頻頻率調(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) 以啟用擴頻功能。在擴頻模式下，LTM4608A 的內(nèi)部振蕩器設(shè)計用于產(chǎn)生時鐘脈沖，其周期在逐周期的基礎(chǔ)上是隨機的，但固定在標稱頻率的 70% 到 130% 之間。這有利于在一定頻率范圍內(nèi)擴展開關(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，則禁用擴頻操作。圖 5 顯示了啟用擴頻操作的工作電路。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，可生成時鐘脈沖，其周期在逐周期的基礎(chǔ)上是隨機的，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 提供可選的擴頻操作，而 LTC3252 則始終啟用擴頻。

 

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 多拓撲 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 多拓撲 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)頻率進行調(diào)制，基頻由時鐘頻率設(shè)置電阻 RT 設(shè)定。調(diào)制頻率計算公式如下：

 

 

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 EMI，圖 9 顯示了峰值傳導 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，但為了在特定系統(tǒng)中獲得整體 EMI 的最佳結(jié)果，可能需要對該值進行一些微調(diào)。 

 

圖 8.LT3795 平均值傳導 EMI。

 

圖 9.LT3795 峰值傳導 EMI。

 

LT3952：具有 SSFM 的多拓撲 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、多拓撲 LED 驅(qū)動器，提供可選的 SSFM。振蕩器頻率以偽隨機方式從標稱頻率 (fSW) 變化到高于標稱值的 31%，步長為 1%。這種單向調(diào)整使 LT3952 只需將標稱頻率編程至其上方一點就可以避免系統(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 測試倉大小的時鐘頻率值 (RT 引腳)，并且偽隨機方法可以從頻率變化本身提供音調(diào)抑制。

 

偽隨機值的更新使用 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準 EMI 測試停留時間內(nèi)多次通過。

 

圖 10.LT3952 平均值傳導 EMI。

 

ADI 公司還提供許多其他產(chǎn)品，可以有效地利用設(shè)計技術(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)部時鐘邊沿和內(nèi)部濾波。采用我們的 Silent Switcher® 技術(shù)實現(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，當您在設(shè)計中再次遇到 EMI 問題時，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 標準。

 

注釋：

 

對于微處理器和數(shù)據(jù)時鐘，±2% 的 SSFM 很常見，因為它們不能容忍較大的頻率變化。

 

完全偽隨機序列的重復(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。Greg 擁有營銷、技術(shù)營銷、應(yīng)用工程和模擬電路設(shè)計等方面的背景。

 

Greg 擁有加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學學士學位以及加州大學圣克魯茲分校經(jīng)濟學學士學位。聯(lián)系方式：greg.zimmer@analog.com。

 

Kevin Scott 是 ADI 公司電源產(chǎn)品部的產(chǎn)品營銷經(jīng)理，負責管理升壓、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。他曾擔任高級戰(zhàn)略營銷工程師，負責制定技術(shù)培訓內(nèi)容，培訓銷售工程師，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。他在半導體行業(yè)已有 26 年從業(yè)經(jīng)驗，擔任過應(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，獲得電氣工程學士學位，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。聯(lián)系方式：kevin.scott@analog.com。

 

 

推薦閱讀：