利用擴頻頻率調變降低EMI

作者: Greg Zimmer、Kevin Scott,ADI

隨著無線通訊的激增,通訊裝置不計其數,再加上越來越多的通訊方法,包括蜂巢、Wi-Fi、衛星、GPS等,使用的頻譜越來越多,EMI成了客觀存在的事實…

電磁輻射(EMR)、電磁干擾(EMI)和電磁相容(EMC)等術語,關係到來自帶電粒子的能量,以及可能干擾電路性能和訊號傳輸的相關磁場。隨著無線通訊的激增,通訊裝置不計其數,再加上越來越多的通訊方法(包括蜂巢、Wi-Fi、衛星、GPS等)使用的頻譜越來越多(有些頻段相互重疊),EMI成了客觀存在的事實。為了減輕此影響,許多政府機構和監管組織對通訊裝置、設備和儀器可發射的輻射量設定了限制,這類規範的示例之一是CISPR 16-1-3,它涉及無線電干擾和抗擾度測量設備和測量方法。

根據其特徵,EMI可分為傳導干擾(透過電源傳輸)或輻射干擾(透過空氣傳輸)。開關電源會產生兩種類型的干擾。ADI為減少傳導干擾和輻射干擾實施的一項技術是擴頻頻率調變(SSFM)。該技術用於一些基於電感和電容的開關電源、矽振盪器和LED驅動器,將雜訊擴展到更寬的頻帶上,從而降低特定頻率下的峰值雜訊和平均值雜訊。

SSFM不允許發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的關鍵決定因素是頻率擴展量和調變速率,對於開關穩壓器應用來說,典型擴展量為±10%,最佳調變速率取決於調變方式。SSFM可採用各種頻率擴展方法,例如使用正弦波或三角波調變時脈頻率。

調變方法

大多數開關穩壓器都會呈現與頻率相關的波紋:開關頻率越低則波紋越多,開關頻率越高則波紋越少。因此,如果對開關時脈進行頻率調變,則開關穩壓器的波紋將呈現幅度調變。如果時脈的調變訊號是週期性的(例如正弦波或三角波),則將呈現週期性的波紋調變,而且在調變頻率上存在一個明顯的頻譜分量(圖1)。

圖1 由時脈的正弦波頻率調變引起的開關穩壓器波紋圖解。

由於調變頻率遠低於開關穩壓器的時脈頻率,因此可能難以濾除。由於下游電路中的電源雜訊耦合或有限的電源抑制,這可能導致可聽音或可見偽像等問題。偽隨機頻率調變能夠消除這種週期性波紋,採用偽隨機頻率調變時,時脈以偽隨機方式從一個頻率轉換到另一個頻率。由於開關穩壓器的輸出波紋由類雜訊訊號進行幅度調變,因此輸出看似沒有進行調變,而且下游系統的影響可以忽略不計。

調變量

隨著SSFM頻率範圍的增加,頻段內時間的百分比減少。從圖2中可以看到,與單個未調變的窄頻訊號相比,調變頻率呈現為寬頻訊號而且峰值降低20dB。如果發射訊號不常進入接收器的頻帶而且停留的時間很短(相對於其回應時間),則可以顯著降低EMI。例如,在降低EMI方面,±10%的頻率調變比±2%的頻率調變有效得多(備註:對於微處理器和資料時脈,±2%的SSFM很常見,因為它們不能容忍較大的頻率變化)。不過,開關穩壓器所能容許的頻率範圍是有限的。一般來說,大多數開關穩壓器都能輕鬆容忍±10%的頻率變化。

圖2 擴頻調變在更寬的時脈頻帶內產生更低的峰值能量。

調變速率

與調變量類似,對於某個給定的接收器,隨著頻率調變速率的增加(跳頻速率),給定接收器的EMI處於頻帶內的時間將減少,因此EMI將降低。然而,開關穩壓器所能追蹤的頻率變化速率(df/dt)具有一個限值,其解決方案則是找出不影響開關穩壓器輸出調節性能的最高調變速率。

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。對於這些測試而言,適當地設置測試設備的頻寬,以反映實際目標頻寬並確定SSFM的有效性。在頻率受到調變時,檢測器在整個檢測器的頻段內以發射掃描的方式進行回應。當檢測器的頻寬相比調變速率較小時,檢測器的有限回應時間會導致EMI測量值衰減,相反,檢測器的回應時間不會影響固定頻率發射,從而不會觀測到EMI衰減。峰值檢測測試可顯示採用SSFM得到的與衰減量直接對應的改善。

準峰值檢測測試由於包括了工作週期的影響,還可以顯示進一步的EMI改善。具體而言,固定頻率發射產生100%的工作週期,而來自SSFM的工作週期隨發射在檢測器頻帶內所佔的時間量而減少。最後,平均值檢測測試能夠顯示最明顯的EMI改善,因為它使用低通濾除峰值檢測訊號,從而生成平均帶內能量。在固定頻率發射時,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時間量均進行衰減,從而產生更低的平均值檢測結果,許多監管測試要求系統通過準峰值和平均值兩種檢測測試。

SSFM和接收器頻寬

無論是否啟用SSFM,在任何時刻,開關穩壓器的峰值發射可能看起來都是相同的(圖3)。這怎麼可能?SSFM的有效性部分取決於接收器的頻寬。要接收「暫態的發射快照」,需要無限頻寬,每個實際系統的頻寬都是有限的,如果時脈頻率的變化快於接收器的頻寬,將顯著降低接收干擾。

圖3 使用LTC6908時啟用和未啟用SSFM的開關穩壓器輸出頻譜(9kHz解析度頻寬)。

矽振盪器中的SSFM

LTC6909、LTC6902和LTC6908是具有擴頻調變的八相、四相和雙相輸出的多相矽振盪器。這些元件通常用於為開關電源提供時脈。多相操作有效地增加了系統的開關頻率(因為相位表現為開關頻率的增加),並且擴頻調變使每個元件在一定頻率範圍內開關,從而在更寬的頻帶上擴展傳導EMI。LTC6908具有5kHz~10MHz的頻率範圍,提供兩個輸出,並具有兩種可選版本: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穩壓器,後者則非常適合同步兩個雙相雙開關穩壓器。四通道LTC6902具有5kHz~20MHz的頻率範圍,可程式設計用作等間距的雙相、三相或四相輸出。LTC6909具有12kHz~6.67MHz的頻率範圍,最多可程式設計提供八相輸出。

為了解決上述週期性波紋問題,這些矽振盪器使用偽隨機頻率調變。利用該技術,開關穩壓器時脈以偽隨機方式從一個頻率轉換到另一個頻率(備註:完全偽隨機序列的重複速率保證小於20Hz)。頻率偏移率或跳頻速率越高,開關穩壓器在給定頻率下的工作時間越短,並且對於給定的接收器間隔,EMI在帶內的時間將越短。

圖4 偽隨機調變說明LTC6908/LTC6909內部追蹤濾波器的影響。

但是,跳頻速率有一個限制。如果頻率以超出開關穩壓器頻寬的速率跳變,則可能會在時脈頻率轉換邊緣發生輸出尖峰。較小的開關穩壓器頻寬會導致更明顯的尖峰,因此,LTC6908和LTC6909包含一個專有的追蹤濾波器,可以實現從一個頻率到下一個頻率的平滑轉換(圖4),LTC6902採用一個25kHz的內部低通濾波器,內部濾波器可追蹤跳頻速率,為所有頻率和調變速率提供最佳平滑性能。

對於許多邏輯系統來說,這種濾波調變訊號可能是可接受的,但必須仔細考慮逐週期的抖動問題。即便使用了追蹤濾波器,給定穩壓器的頻寬仍有可能不足以滿足高速率頻率調變的要求。為應對頻寬限制,LTC6908/LTC6909的跳頻速率可以從預設速率(即標稱頻率的1/16)降低到標稱頻率的1/32或1/64。

電源中的SSFM

開關穩壓器基於逐週期運作,以將功率傳輸到輸出。在大多數情況下,工作頻率要不是固定的,不然就是基於輸出負載的常數。這種轉換方法在工作頻率(基波)和工作頻率的倍頻(諧波)下產生較大的雜訊分量。

為了降低開關雜訊,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的內部振盪器設計用於產生時脈脈衝,其週期在逐週期的基礎上是隨機的,但固定在標稱頻率的70%~130%之間。這有利於在一定頻率範圍內擴展開關雜訊,從而顯著降低峰值雜訊。如果CLKIN接地或由外部頻率同步訊號驅動,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0.01μF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是一款微功率降壓型轉換器,可在高開關頻率下保持高效率(2MHz時為93%),從而允許使用更小的外部元件。SSFM模式的操作類似於跳躍脈衝工作模式,其主要區別在於開關頻率由3kHz三角波上下調變。調變範圍的低階透過開關頻率設置(由RT引腳上的電阻設置),高階則設置為比RT設置的頻率高約20%。要啟用擴頻模式,須將SYNC引腳連接到INTVCC或將其驅動到3.2V和5V之間的電壓(圖5)。

圖5 啟用擴頻的LTM4608A。

LTC3251/LTC3252是2.7V~5.5V、單路輸出500mA/雙路輸出250mA的電荷泵降壓型穩壓器,可生成時脈脈衝,其週期在逐週期的基礎上是隨機的,但固定在1MHz~1.6MHz之間。圖6和圖7顯示了與傳統降壓型轉換器相比,LTC3251的擴頻特性顯著降低了峰值諧波雜訊並幾乎消除了諧波。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驅動器中的SSFM

對於汽車和顯示器照明應用的EMI問題而言,開關穩壓器LED驅動器也是個麻煩。為了提高EMI性能,LT3795 110V多拓撲LED驅動控制器整合了SSFM。如果RAMP引腳上有一個電容,則會產生一個介於1V和2V之間的三角波。然後將該訊號饋入內部振盪器,在基頻的70%和基頻之間對開關頻率進行調變,基頻由時脈頻率設置電阻RT設定。調變頻率計算公式如下:

圖8和圖9顯示了傳統的升壓開關轉換器電路(將RAMP引腳連接到GND)和啟用擴頻調變的升壓開關轉換器(RAMP引腳上為6.8nF)之間的雜訊頻譜比較。圖8顯示了平均值傳導EMI,圖9顯示了峰值傳導EMI。EMI測量的結果易受使用電容選擇的RAMP頻率的影響,1kHz是最佳化峰值測量的良好起點,但為了在特定系統中獲得整體EMI的最佳結果,可能需要對該值進行一些微調。

圖8 LT3795平均值傳導EMI。

圖9 LT3795峰值傳導EMI。

LT3952是一款60V/4A電源開關式、恆流、恆壓、多拓撲LED驅動器,提供可選的SSFM(圖10)。振盪器頻率以偽隨機方式從標稱頻率(fSW)變化到高於標稱值的31%,步長為1%。這種單向調整使LT3952只需將標稱頻率程式設計至其上方一點就可以避免系統中的敏感頻帶(例如AM無線電頻譜),成比例的步長允許用戶輕鬆確定適用於指定的EMI測試箱大小的時脈頻率值(RT引腳),並且偽隨機方法可以從頻率變化本身提供音調抑制。

偽隨機值的更新使用fSW/32的速率,與振盪器頻率成正比,該速率允許整組頻率在標準EMI測試停留時間內多次通過。

圖10 LT3952平均值傳導EMI。

如上所述,使用SSFM是其中一種技術,其他方法還包括減緩快速內部時脈邊沿和內部濾波。採用Silent Switcher技術實現了另一種創新方法,透過佈局有效降低EMI。一款獨特的42V輸入、微功率同步降壓型開關穩壓器可將Silent Switcher技術和SSFM相結合以降低EMI。

 

 

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