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 (EMC) 是涉及來自帶電粒子的能量以及可能干擾電路能和信號(hào)傳輸?shù)南嚓P(guān)磁場(chǎng)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(duì)通信裝置、設(shè)備和儀器可發(fā)射的輻射量設(shè)定了。這類規(guī)范的示例是 CISPR 16-1-3，它涉及無線電干擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備和測(cè)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(huì)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)施的項(xiàng)是擴(kuò)頻頻率調(diào)制 (SSFM)。該用于我們些基于電感和電容的開關(guān)電源、硅振蕩器和 LED 驅(qū)動(dòng)器，將噪聲擴(kuò)展到寬的頻帶上，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)射能量在接收器的頻帶中停留過長時(shí)間，從而改善了 EMI。 SSFM 的關(guān)鍵決定因素是頻率擴(kuò)展量和調(diào)制速率。對(duì)于開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)用來說，擴(kuò)展量為 ±1，調(diào)制速率取決于調(diào)制方式。SSFM 可采用頻率擴(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(huì)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)頻率越則紋波越少。因此，如果對(duì)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(hào)是周期的 (例如正弦波或三角波)，則將呈現(xiàn)周期的紋波調(diào)制，而且在調(diào)制頻率上存在個(gè)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)致可聽音的偽像等問題。偽隨機(jī)頻率調(diào)制能夠消除這種周期紋波。采用偽隨機(jī)頻率調(diào)制時(shí)，時(shí)鐘以偽隨機(jī)方式從個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另個(gè)頻率。由于開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波由類噪聲信號(hào)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(gè)未調(diào)制的窄帶信號(hào)相比，調(diào)制頻率呈現(xiàn)為寬帶信號(hào)而且峰值降低 20 dB。如果發(fā)射信號(hào)不常進(jìn)入接收器的頻帶而且停留的時(shí)間很短 (相對(duì)于其響應(yīng)時(shí)間)，則可以顯著降低 EMI。例如，在降低 EMI 方面，±1 的頻率調(diào)制比 ±2% 的頻率調(diào)制得多。1不過，開關(guān)穩(wěn)壓器所能容許的頻率范圍是有限的。般來說，大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器都能輕松容忍 ±1 的頻率變化。

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

調(diào)制速率

與調(diào)制量類似，對(duì)于某個(gè)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) 具有個(gè)限值。其解決方案則是找出那個(gè)不影響開關(guān)穩(wěn)壓器輸出調(diào)的調(diào)制速率。

測(cè)量 EMI

測(cè)量 EMI 的方法為峰值、準(zhǔn)峰值或平均值。對(duì)于這些測(cè)試而言，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置測(cè)試設(shè)備的帶寬，以反映實(shí)際目標(biāo)帶寬并確定 SSFM 的。在進(jìn)行頻率調(diào)制時(shí)，器會(huì)隨著發(fā)射掃描整個(gè)器的頻帶而進(jìn)行響應(yīng)。當(dāng)器的帶寬相較于調(diào)制速率較小時(shí)，器的有限響應(yīng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致 EMI 測(cè)量值衰減。相反，器的響應(yīng)時(shí)間不會(huì)影響固定頻率發(fā)射，從而不會(huì)觀測(cè)到 EMI 衰減。峰值測(cè)試顯示通過 SSFM 得到的改善直接對(duì)應(yīng)于衰減量。準(zhǔn)峰值測(cè)試還可以顯示進(jìn)步的 EMI 改善，因?yàn)樗苏伎毡鹊挠绊?。具體而言，固定頻率發(fā)射產(chǎn)生  的占空比，而來自 SSFM 的占空比隨發(fā)射在器頻帶內(nèi)所占的時(shí)間量而減少。平均值測(cè)試能夠顯示的 EMI 改善，因?yàn)樗褂玫屯ㄟ^濾峰值信號(hào)，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(duì)峰值能量和帶內(nèi)時(shí)間量均進(jìn)行衰減，從而產(chǎn)生低的平均值結(jié)果。許多監(jiān)管測(cè)試要求系統(tǒng)通過準(zhǔn)峰值和平均值兩種測(cè)試。

SSFM 和接收器帶寬

無論是否啟用 SSFM，在時(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(gè)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(gè)器件在頻率范圍內(nèi)開關(guān)，從而在寬的頻帶上擴(kuò)展傳導(dǎo) EMI。LTC6908 具有 5 kHz 至 10 MHz 的頻率范圍，提供兩個(gè)輸出，并具有兩種可選版本：LTC6908-1 提供具有 180° 相移的兩個(gè)輸出，而 LTC6908-2 提供具有 90° 相移的兩個(gè)輸出。前者適合同步兩個(gè)單開關(guān)穩(wěn)壓器，后者則適合同步兩個(gè)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，可編程提供八相輸出。

為了解決上述周期紋波問題，這些硅振蕩器使用偽隨機(jī)頻率調(diào)制。利用該，開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)鐘以偽隨機(jī)方式從個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另個(gè)頻率。頻率偏移率或跳頻速率越，開關(guān)穩(wěn)壓器在給定頻率下的工作時(shí)間越短，并且對(duì)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，跳頻速率有個(gè)。如果頻率以出開關(guān)穩(wěn)壓器帶寬的速率跳變，則可能會(huì)在時(shí)鐘頻率轉(zhuǎn)換邊沿發(fā)生輸出。較小的開關(guān)穩(wěn)壓器帶寬會(huì)導(dǎo)致的。因此，LTC6908 和 LTC6909 包含個(gè)專有的跟蹤濾波器，可以實(shí)現(xiàn)從個(gè)頻率到下個(gè)頻率的平滑轉(zhuǎn)換 (LTC6902 采用個(gè) 25 kHz 的內(nèi)部低通濾波器)。內(nèi)部濾波器跟蹤跳頻速率，為頻率和調(diào)制速率提供平滑能。

對(duì)于許多邏輯系統(tǒng)來說，這種濾波調(diào)制信號(hào)可能是可接受的，但必須仔細(xì)考慮逐周期的抖動(dòng)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速率頻率調(diào)制的要求。為應(yīng)對(duì)帶寬，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。

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 7 到 13 之間。這有利于在頻率范圍內(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(hào)驅(qū)動(dòng)，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 引腳上放置個(gè) 0.01 μF 的接地電容，以擴(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 是款微功率降壓型轉(zhuǎn)換器，可在開關(guān)頻率下保持率 (2 MHz 時(shí)為 93%)，從而允許使用小的外部元件。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，則設(shè)置為比 RT 設(shè)置的頻率約 2。要啟用擴(kuò)頻模式，須將 SYNC 引腳連接到 INTVCC 或?qū)⑵潋?qū)動(dòng)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(dòng)器中的 SSFM

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

對(duì)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(dòng)器也是個(gè)麻煩。為了提 EMI 能，LT3795 110 V 多拓?fù)?nbsp;LED 驅(qū)動(dòng)器集成了 SSFM。如果 RAMP 引腳上有個(gè)電容，則會(huì)產(chǎn)生個(gè)介于 1 V 和 2 V 之間的三角波。然后將該信號(hào)饋入內(nèi)部振蕩器，在基頻的 70％ 和基頻之間對(duì)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(cè)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(cè)量的良好起點(diǎn)，但為了在特定系統(tǒng)中獲得整體 EMI 的結(jié)果，可能需要對(duì)該值進(jìn)行些微調(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(dòng)器

LT3952 是款 60 V/4 A 電源開關(guān)式、恒流、恒壓、多拓?fù)?nbsp;LED 驅(qū)動(dòng)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的 EMI 測(cè)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 EMI 測(cè)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，可以地利用設(shè)計(jì)來降低 EMI。如上所述，使用 SSFM 是其中種。其他方法還包括減緩內(nèi)部時(shí)鐘邊沿和內(nèi)部濾波。采用我們的 Silent Switcher® 實(shí)現(xiàn)了另種方法，通過布局降低 EMI。LT8640 是款的 42 V 輸入、微功率同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，它將 Silent Switcher 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(qǐng)務(wù)必查看我們的低 EMI 產(chǎn)品，以幫助您輕松地 EMI 。

注釋：

對(duì)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。

偽隨機(jī)序列的重復(fù)速率小于 20 Hz。