擴(kuò)頻頻率調(diào)制可降低EMI

作者：Kevin Scott and Greg Zimmer

電磁輻射 （EMR）、電磁干擾 （EMI） 和電磁合規(guī)性 （EMC） 是與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)磁場相關(guān)的術(shù)語。隨著無線通信的普及，通信設(shè)備的過多，以及越來越多的通信方法（包括蜂窩，WiFi，衛(wèi)星，GPS等）使用越來越多的頻譜（某些頻段重疊），電磁干擾已成為現(xiàn)實。為了減輕這種影響，許多政府機(jī)構(gòu)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)對通信設(shè)備、設(shè)備和儀器可以發(fā)出的輻射量設(shè)定了限制。這種規(guī)范的一個例子，CISPR 16-1-3，涉及無線電干擾和抗擾度測量裝置和測量方法。

電磁干擾可以表征為傳導(dǎo)（通過電源傳輸）或輻射（通過空氣傳輸）。開關(guān)電源會產(chǎn)生這兩種類型。凌力爾特為減少傳導(dǎo)和輻射干擾而實施的一項技術(shù)是擴(kuò)頻頻率調(diào)制 （SSFM）。這種技術(shù)用于我們的幾種基于電感和電容器的開關(guān)電源、硅振蕩器和LED驅(qū)動器，以將噪聲傳播到更寬的頻段，從而降低特定頻率下的峰值和平均噪聲。

SSFM通過不允許發(fā)射的能量在任何一個接收器頻段停留相當(dāng)長的時間來改善EMI。有效SSFM的關(guān)鍵決定因素是擴(kuò)頻量和調(diào)制速率。對于開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)用，通?！?0%的擴(kuò)展，最佳調(diào)制速率由調(diào)制曲線決定。SSFM使用各種頻率擴(kuò)展方法，例如用正弦波或三角波調(diào)制時鐘頻率。

調(diào)制方式

大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器的紋波與頻率有關(guān);在較低的開關(guān)頻率下紋波更大，在較高的開關(guān)頻率下紋波更少。因此，如果開關(guān)時鐘經(jīng)過頻率調(diào)制，開關(guān)穩(wěn)壓器的紋波將表現(xiàn)出幅度調(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，則在調(diào)制頻率處將存在周期性紋波調(diào)制和獨特的頻譜分量（圖 1）。

圖1.時鐘正弦頻率調(diào)制引起的開關(guān)穩(wěn)壓器紋波圖示

由于調(diào)制頻率遠(yuǎn)低于開關(guān)穩(wěn)壓器的時鐘，因此可能難以濾除。這可能會導(dǎo)致問題，例如可聽見音或可見的顯示偽影，這是由于電源噪聲耦合或下游電路中的電源抑制受限所致。偽隨機(jī)頻率調(diào)制可以避免這種周期性紋波。通過偽隨機(jī)頻率調(diào)制，時鐘以偽隨機(jī)方式從一個頻率移動到另一個頻率。由于開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波由類似噪聲的信號進(jìn)行幅度調(diào)制，因此輸出看起來好像沒有調(diào)制，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)時間的百分比會降低。在下面的圖2中，請注意，與單個未調(diào)制窄帶信號相比，調(diào)制頻率顯示為峰值低20dB的寬帶信號。如果發(fā)射信號不經(jīng)常且短時間（相對于其響應(yīng)時間）進(jìn)入接收器頻段，則EMI會顯著降低。例如，±10%的頻率調(diào)制在降低EMI方面比±2%的頻率調(diào)制更有效1.然而，開關(guān)穩(wěn)壓器可以容忍的頻率范圍有限。作為一般規(guī)則，大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器可以輕松承受±10%的頻率變化。

圖2.擴(kuò)頻調(diào)制產(chǎn)生更寬的時鐘頻段和更低的峰值能量

調(diào)制速率

與調(diào)制量類似，隨著頻率調(diào)制速率（跳頻速率）的增加，給定接收器的EMI“帶內(nèi)”時間將減少，EMI將降低。但是，切換器可以跟蹤的頻率變化率（dF/dt）是有限制的。解決方案是找到不影響開關(guān)穩(wěn)壓器輸出調(diào)節(jié)的最高調(diào)制速率。

測量電磁干擾

測量EMI的典型方法稱為峰值檢測、準(zhǔn)峰值檢測或平均檢測。對于這些測試，測試設(shè)備的帶寬被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置以反映感興趣的真實世界帶寬，并確定SSFM的有效性。當(dāng)頻率調(diào)制時，當(dāng)發(fā)射掃過檢測器的頻帶時，檢測器會做出響應(yīng)。當(dāng)檢波器的帶寬與調(diào)制速率相比較小時，檢波器的有限響應(yīng)時間會導(dǎo)致EMI測量衰減。相比之下，檢波器的響應(yīng)時間不會影響固定頻率發(fā)射，也不會觀察到EMI衰減。峰值檢測測試顯示，SSFM的改進(jìn)直接對應(yīng)于衰減量。準(zhǔn)峰值檢測測試可以顯示進(jìn)一步的EMI改善，因為它包括占空比的影響。具體來說，固定頻率發(fā)射產(chǎn)生100%的占空比，而SSFM的占空比根據(jù)發(fā)射在探測器帶內(nèi)的時間量而降低。最后，平均檢測測試可以顯示出最顯著的EMI改善，因為它以低通濾除峰值檢測信號，從而產(chǎn)生帶內(nèi)能量的平均值。與平均能量和峰值能量相等的固定頻率發(fā)射不同，SSFM會衰減峰值檢測能量和帶內(nèi)時間量，從而降低平均檢測結(jié)果。許多監(jiān)管測試要求系統(tǒng)通過準(zhǔn)峰值和平均檢測測試。

SSFM 和接收器帶寬

無論是否啟用SSFM，開關(guān)穩(wěn)壓器的峰值輻射在任何時刻都可能看起來相同。怎么可能？SSFM的有效性部分取決于接收器的帶寬。接收發(fā)射的“瞬時快照”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，則接收干擾的減少將是顯著的。

圖3.開關(guān)穩(wěn)壓器輸出頻譜 （9kHz 分辨率帶寬） 采用 LTC6908 啟用和不啟用 SSFM。

硅振蕩器中的 SSFM

LTC?6909、LTC6902 和 LTC6908 是具有擴(kuò)頻調(diào)制功能的 8 路、4 路和 2 路輸出、多相硅振蕩器。 這些器件通常用于為開關(guān)電源提供時鐘。多相操作可有效提高系統(tǒng)開關(guān)頻率（因為相位表現(xiàn)為開關(guān)頻率的增加），擴(kuò)頻調(diào)制使每個器件在一定頻率范圍內(nèi)切換，從而將傳導(dǎo)EMI分布到更寬的頻帶上。LTC6908 具有一個 5kHz 至 10MHz 的頻率范圍，提供了兩個輸出，并提供兩種版本;LTC6908-1 具有兩個輸出，它們之間具有 180° 相移，而 LTC6908-2 具有兩個輸出，它們之間具有一個 90° 的相移。前者非常適合同步兩個單開關(guān)穩(wěn)壓器，后者非常適合同步兩個雙路兩相開關(guān)穩(wěn)壓器。四通道 LTC6902 具有一個 5kHz 至 20MHz 的頻率范圍，并可針對等間距的 2 相、3 相或 4 相進(jìn)行編程。LTC6909 具有一個 12kHz 至 6.67MHz 的頻率范圍，并可針對多達(dá) 8 相進(jìn)行編程。

為了解決上述周期性紋波，這些硅振蕩器使用偽隨機(jī)頻率調(diào)制。使用這種技術(shù)，開關(guān)穩(wěn)壓器時鐘以偽隨機(jī)方式從一個頻率轉(zhuǎn)移到另一個頻率2.頻移速率或跳頻率越高，開關(guān)穩(wěn)壓器在給定頻率下工作的時間就越短，EMI在給定接收器間隔內(nèi)“帶內(nèi)”的時間就越短。

但是，跳頻速率是有限制的。如果跳頻速率超出開關(guān)穩(wěn)壓器帶寬，則時鐘頻率轉(zhuǎn)換沿可能會出現(xiàn)輸出尖峰。開關(guān)穩(wěn)壓器帶寬越低，尖峰越明顯。因此，LTC6908 和 LTC6909 包括一個專有的跟蹤濾波器，用于平滑從一個頻率到下一個頻率的轉(zhuǎn)換 （LTC6902 使用一個內(nèi)部 25kHz 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。

圖4.偽隨機(jī)調(diào)制說明了 LTC6908 / LTC6909 內(nèi)部漏電起痕濾波器的影響

這種濾波調(diào)制信號對于許多邏輯系統(tǒng)來說可能是可以接受的，但必須仔細(xì)考慮周期間抖動問題。即使使用跟蹤濾波器，給定穩(wěn)壓器的帶寬可能仍不足以實現(xiàn)高頻率調(diào)制。對于帶寬限制，LTC6908 / LTC6909 跳頻速率可從標(biāo)稱頻率的 1/16 的默認(rèn)速率降低到標(biāo)稱頻率的 1/32 或 1/64 速率。

電源中的 SSFM

開關(guān)穩(wěn)壓器按周期工作，將功率傳輸?shù)捷敵龆?。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)載的恒定頻率。這種轉(zhuǎn)換方法在工作頻率（基波）和工作頻率（諧波）的倍數(shù)處產(chǎn)生較大的噪聲分量。

LTM4608A 8A、2.7V 至 5.5V在帶 SSFM 的直流/直流 μModule 降壓穩(wěn)壓器

為了降低開關(guān)噪聲，LTM4608A 能夠采用通過將 CLKIN 引腳連接至 SV 而啟用的擴(kuò)頻工作在（低功耗電路電源電壓引腳）。在擴(kuò)頻模式下，LTM4608A 的內(nèi)部振蕩器設(shè)計用于產(chǎn)生一個時鐘脈沖，該時鐘脈沖的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% 至 130% 之間。這樣做的好處是將開關(guān)噪聲分散到一定頻率范圍內(nèi)，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所示為啟用擴(kuò)頻操作的工作電路。必須在PLLLPF引腳至地放置一個0.01μF的電容值，以控制擴(kuò)頻頻率變化的壓擺率。分量值由公式 R 確定鍶≥ 1 / ?（ln（1? 0.592/V在）*500*C鍶).

圖5.LTM4608A 具有擴(kuò)頻啟用功能

LT8609 具 SSFM 的 42V 輸入、2A 同步降壓型轉(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 （2MHz 時為 93%） 下保持高效率，因而允許更小的外部組件。SSFM模式的工作方式類似于脈沖跳躍模式操作，關(guān)鍵區(qū)別在于開關(guān)頻率由3 kHz三角波上下調(diào)制。調(diào)制范圍在低端由開關(guān)頻率設(shè)置（而開關(guān)頻率又由RT引腳上的電阻設(shè)置），在高端由比RT設(shè)置的頻率高約20%的值設(shè)置。要啟用擴(kuò)頻模式，請將 SYNC 引腳連接到 INTVCC 或?qū)⑵潋?qū)動至 3.2V 至 5V 之間的電壓。

LTC3251 / LTC3252 充電泵降壓型穩(wěn)壓器 具 SSFM

LTC?3251 / LTC3252 是 2.7V 至 5.5V、單通道 500mA / 雙通道 250mA 基于電荷泵的降壓型穩(wěn)壓器，可產(chǎn)生一個時鐘脈沖，其周期在逐周期的基礎(chǔ)上是隨機(jī)的，但固定在 1MHz 和 1.6MHz 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)頻特性如何顯著降低峰值諧波噪聲，并幾乎消除了諧波。擴(kuò)頻操作可由 LTC3251 選擇，但始終由 LTC3252 使能。

圖6.LTC3251 在禁用 SSFM 的情況下

圖7.LTC3251 啟用了 SSFM 功能

LED 驅(qū)動器中的 SSFM

LT3795 具 SSFM 的 110V 多拓?fù)?LED 控制器

開關(guān)穩(wěn)壓器LED驅(qū)動器對于涉及EMI的汽車和顯示器照明應(yīng)用也可能很麻煩。為了改善 EMI 性能，LT3795 110V 多拓?fù)?LED 驅(qū)動器控制器包括 SSFM。如果RAMP引腳上有一個電容，則會產(chǎn)生一個在1V和2V之間掃描的三角波。然后將該信號饋入內(nèi)部振蕩器，以在基頻的70%和基頻之間調(diào)制開關(guān)頻率，基頻由時鐘頻率設(shè)置電阻RT設(shè)置。調(diào)制頻率由公式 12μA/（2 ? 1V ? C 設(shè)定坡道).圖8和圖9顯示了傳統(tǒng)升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器電路（RAMP引腳連接到GND）與擴(kuò)頻調(diào)制升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器（RAMP引腳為6.8nF）之間的噪聲頻譜比較。圖8顯示了平均傳導(dǎo)EMI，圖9顯示了峰值傳導(dǎo)EMI。EMI測量結(jié)果對電容選擇的RAMP頻率很敏感。1kHz是優(yōu)化峰值測量的良好起點，但可能需要對該值進(jìn)行一些微調(diào)，以便在特定系統(tǒng)中獲得最佳的整體EMI結(jié)果。

圖8.LT3795 平均傳導(dǎo) EMI

圖9.LT3795 峰值傳導(dǎo) EMI

LT3952 多拓?fù)?42V在， 60V/4A LED 驅(qū)動器，帶 SSFM

LT?3952 是一款 60V/4A 電源開關(guān)、恒定電流、恒定電壓多拓?fù)?LED 驅(qū)動器，具有可選的 SSFM。振蕩器頻率以偽隨機(jī)方式從標(biāo)稱頻率（f西 南部） 以 1% 的步長高于標(biāo)稱值 31%。這種單向調(diào)整使得 LT3952 只需對略高于該頻帶的標(biāo)稱頻率進(jìn)行編程，即可避開系統(tǒng)中的敏感頻帶 （例如 AM 無線電頻譜）。比例步長允許用戶輕松確定其指定EMI測試箱大小的時鐘頻率值（RT引腳），偽隨機(jī)方法根據(jù)頻率變化本身提供音調(diào)抑制。

偽隨機(jī)值與振蕩器頻率成比例更新，速率為 f西 南部/32.該速率允許在標(biāo)準(zhǔn)EMI測試停留時間內(nèi)多次通過整組頻率。

圖10.LT3952 平均傳導(dǎo) EMI

凌力爾特還有許多其他產(chǎn)品，可以有效地使用設(shè)計技術(shù)來降低EMI。如前所述，使用 SSFM 是一種技術(shù)。其他方法包括減慢快速內(nèi)部時鐘邊沿和內(nèi)部濾波。另一項新技術(shù)是使用我們的靜音切換器完成的?技術(shù)，利用布局有效降低EMI。LT?8640 是一款獨特的 42V 輸入、微功率、同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，它結(jié)合了靜音開關(guān)技術(shù)和 SSFM 以降低 EMI。因此，下次 EMI 在您的設(shè)計中出現(xiàn)問題時，請務(wù)必尋找我們的低 EMI 產(chǎn)品，讓您更容易符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯：郭婷