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利用扩频频率调制降低EMI

2020-04-29 Greg Zimmer和Kevin Scott,ADI公司 阅读:
利用扩频频率调制降低EMI
扩频频率调制(SSFM)是一项可减少传导干扰和辐射干扰的技术。它可以用于一些基于电感和电容的开关电源、硅振荡器和LED驱动器,将噪声扩展到更宽的频带上,从而降低特定频率下的峰值噪声和平均值噪声。

电磁辐射(EMR)、电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)等术语,关系到来自带电粒子的能量,以及可能干扰电路性能和信号传输的相关磁场。随着无线通信的激增,通信装置不计其数,再加上越来越多的通信方法(包括蜂窝、Wi-Fi、卫星、GPS等)使用的频谱越来越多(有些频带相互重叠),电磁干扰成了客观存在的事实。为了减轻此影响,许多政府机构和监管组织对通信装置、设备和仪器可发射的辐射量设定了限制。这类规范的示例之一是CISPR 16-1-3,它涉及无线电干扰和抗扰度测量设备和测量方法。hReednc

根据其特征,电磁干扰可分为传导干扰(通过电源传输)或辐射干扰(通过空气传输)。开关电源会产生两种类型的干扰。ADI公司为减少传导干扰和辐射干扰实施的一项技术是扩频频率调制(SSFM)。该技术用于我们一些基于电感和电容的开关电源、硅振荡器和LED驱动器,将噪声扩展到更宽的频带上,从而降低特定频率下的峰值噪声和平均值噪声。hReednc

SSFM不允许发射能量在任何接收器的频带中停留过长时间,从而改善了EMI。有效SSFM的关键决定因素是频率扩展量和调制速率。对于开关稳压器应用来说,典型扩展量为±10%,最佳调制速率取决于调制方式。SSFM可采用各种频率扩展方法,例如使用正弦波或三角波调制时钟频率。hReednc

调制方法

大多数开关稳压器都会呈现与频率相关的纹波:开关频率越低则纹波越多,开关频率越高则纹波越少。因此,如果对开关时钟进行频率调制,则开关稳压器的纹波将呈现幅度调制。如果时钟的调制信号是周期性的(例如正弦波或三角波),则将呈现周期性的纹波调制,而且在调制频率上存在一个明显的频谱分量(1)。hReednc

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图1:由时钟的正弦波频率调制引起的开关稳压器纹波图解。hReednc

由于调制频率远低于开关稳压器的时钟频率,因此可能难以滤除。由于下游电路中的电源噪声耦合或有限的电源抑制,这可能导致可听音或可见伪像等问题。伪随机频率调制能够消除这种周期性纹波。采用伪随机频率调制时,时钟以伪随机方式从一个频率转换到另一个频率。由于开关稳压器的输出纹波由类噪声信号进行幅度调制,因此输出看似没有进行调制,而且下游系统的影响可以忽略不计。hReednc

调制量

随着SSFM频率范围的增加,带内时间的百分比减少。从2中可以看到,与单个未调制的窄带信号相比,调制频率呈现为宽带信号而且峰值降低20dB。如果发射信号不常进入接收器的频带而且停留的时间很短(相对于其响应时间),则可以显著降低EMI。例如,在降低EMI方面,±10%的频率调制比±2%的频率调制有效得多(注:对于微处理器和数据时钟,±2%的SSFM很常见,因为它们不能容忍较大的频率变化)。不过,开关稳压器所能容许的频率范围是有限的。一般来说,大多数开关稳压器都能轻松容忍±10%的频率变化。hReednc

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2:扩频调制在更宽的时钟频带内产生更低的峰值能量。hReednc

调制速率

与调制量类似,对于某个给定的接收器,随着频率调制速率的增加(跳频速率),给定接收器的EMI处于带内的时间将减少,因此EMI将降低。然而,开关稳压器所能跟踪的频率变化速率(df/dt)具有一个限值。其解决方案则是找出不影响开关稳压器输出调节性能的最高调制速率。hReednc

测量EMI

测量EMI的典型方法为峰值检测、准峰值检测或平均值检测。对于这些测试而言,适当地设置测试设备的带宽,以反映实际目标带宽并确定SSFM的有效性。在频率受到调制时,检测器在整个检测器的频带内以发射扫描的方式进行响应。当检测器的带宽相比调制速率较小时,检测器的有限响应时间会导致EMI测量值衰减。相反,检测器的响应时间不会影响固定频率发射,从而不会观测到EMI衰减。峰值检测测试可显示采用SSFM得到的与衰减量直接对应的改善。准峰值检测测试由于包括了占空比的影响,还可以显示进一步的EMI改善。具体而言,固定频率发射产生100%的占空比,而来自SSFM的占空比随发射在检测器频带内所占的时间量而减少。最后,平均值检测测试能够显示最明显的EMI改善,因为它使用低通滤除峰值检测信号,从而生成平均带内能量。在固定频率发射时,平均值和峰值能量相等,SSFM则不同,它对峰值检测能量和带内时间量均进行衰减,从而产生更低的平均值检测结果。许多监管测试要求系统通过准峰值和平均值两种检测测试。hReednc

SSFM和接收器带宽

无论是否启用SSFM,在任何时刻,开关稳压器的峰值发射可能看起来都是相同的(3)。这怎么可能?SSFM的有效性部分取决于接收器的带宽。要接收“瞬时的发射快照”,需要无限带宽。每个实际系统的带宽都是有限的。如果时钟频率的变化快于接收器的带宽,将显著降低接收干扰。hReednc

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图3:使用LTC6908时启用和未启用SSFM的开关稳压器输出频谱(9kHz分辨率带宽)。hReednc

硅振荡器中的SSFM

LTC6909LTC6902LTC6908是具有扩频调制的八相、四相和双相输出的多相硅振荡器。这些器件通常用于为开关电源提供时钟。多相操作有效地增加了系统的开关频率(因为相位表现为开关频率的增加),并且扩频调制使每个器件在一定频率范围内开关,从而在更宽的频带上扩展传导EMI。LTC6908具有5kHz至10MHz的频率范围,提供两个输出,并具有两种可选版本:LTC6908-1提供具有180°相移的两个输出,而LTC6908-2提供具有90°相移的两个输出。前者非常适合同步两个单开关稳压器,后者则非常适合同步两个双相双开关稳压器。四通道LTC6902具有5kHz至20MHz的频率范围,可编程用作等间距的双相、三相或四相输出。LTC6909具有12kHz至6.67MHz的频率范围,最多可编程提供八相输出。hReednc

为了解决上述周期性纹波问题,这些硅振荡器使用伪随机频率调制。利用该技术,开关稳压器时钟以伪随机方式从一个频率转换到另一个频率(注:完全伪随机序列的重复速率保证小于20Hz)。频率偏移率或跳频速率越高,开关稳压器在给定频率下的工作时间越短,并且对于给定的接收器间隔,EMI在带内的时间将越短。hReednc

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图4:伪随机调制说明LTC6908/LTC6909内部跟踪滤波器的影响。hReednc

但是,跳频速率有一个限制。如果频率以超出开关稳压器带宽的速率跳变,则可能会在时钟频率转换边沿发生输出尖峰。较小的开关稳压器带宽会导致更明显的尖峰。因此,LTC6908和LTC6909包含一个专有的跟踪滤波器,可以实现从一个频率到下一个频率的平滑转换(4)(LTC6902采用一个25kHz的内部低通滤波器)。内部滤波器可跟踪跳频速率,为所有频率和调制速率提供最佳平滑性能。hReednc

对于许多逻辑系统来说,这种滤波调制信号可能是可接受的,但必须仔细考虑逐周期的抖动问题。即便使用了跟踪滤波器,给定稳压器的带宽仍有可能不足以满足高速率频率调制的要求。为应对带宽限制,LTC6908/LTC6909的跳频速率可以从默认速率(即标称频率的1/16)降低到标称频率的1/32或1/64。hReednc

点击此处查看扩频频率调制硅振荡器。hReednc

电源中的SSFM

开关稳压器基于逐周期运行,以将功率传输到输出。在大多数情况下,工作频率要么是固定的,要么是基于输出负载的常数。这种转换方法在工作频率(基波)和工作频率的倍频(谐波)下产生较大的噪声分量。hReednc

点击此处查看扩频频率调制降压型稳压器列表。hReednc

LTM4608A:具有SSFM的8A、2.7V至5.5VIN DC/DC µModule降压型稳压器

为了降低开关噪声,可以将LTM4608A的CLKIN引脚连接到SVIN(低功耗电路电源电压引脚)以启用扩频功能。在扩频模式下,LTM4608A的内部振荡器设计用于产生时钟脉冲,其周期在逐周期的基础上是随机的,但固定在标称频率的70%到130%之间。这有利于在一定频率范围内扩展开关噪声,从而显著降低峰值噪声。如果CLKIN接地或由外部频率同步信号驱动,则禁用扩频操作。5显示了启用扩频操作的工作电路。必须在PLL LPF引脚上放置一个0.01μF的接地电容,以控制扩频频率变化的压摆率。元件值由以下公式确定:hReednc

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LT8609:具有SSFM的42V输入、2A同步降型转换器

LT8609是一款微功率降压型转换器,可在高开关频率下保持高效率(2MHz时为93%),从而允许使用更小的外部元件。SSFM模式的操作类似于跳跃脉冲工作模式,其主要区别在于开关频率由3kHz三角波上下调制。调制范围的低端通过开关频率设置(由RT引脚上的电阻设置),高端则设置为比RT设置的频率高约20%。要启用扩频模式,须将SYNC引脚连接到INTVCC或将其驱动到3.2V和5V之间的电压(5)。hReednc

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图5:启用扩频的LTM4608A。hReednc

LTC3251/LTC3252:具有SSFM的电荷泵降压型稳压器

LTC3251/LTC3252是2.7V至5.5V、单路输出500mA/双路输出250mA的电荷泵降压型稳压器,可生成时钟脉冲,其周期在逐周期的基础上是随机的,但固定在1MHz到1.6MHz之间。67显示了与传统降压型转换器相比,LTC3251的扩频特性显著降低了峰值谐波噪声并几乎消除了谐波。LTC3251提供可选的扩频操作,而LTC3252则始终启用扩频。hReednc

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图6:禁用SSFM的LTC3251。hReednc

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图7:启用SSFM的LTC3251。hReednc

LED驱动器中的SSFM

LT3795:具有SSFM的110V多拓扑LED控制器

对于汽车和显示屏照明应用的EMI问题而言,开关稳压器LED驱动器也是个麻烦。为了提高EMI性能,LT3795 110V多拓扑LED驱动控制器集成了SSFM。如果RAMP引脚上有一个电容,则会产生一个介于1V和2V之间的三角波。然后将该信号馈入内部振荡器,在基频的70%和基频之间对开关频率进行调制,基频由时钟频率设置电阻RT设定。调制频率计算公式如下:hReednc

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89显示了传统的升压开关转换器电路(将RAMP引脚连接到GND)和启用扩频调制的升压开关转换器(RAMP引脚上为6.8nF)之间的噪声频谱比较。8显示了平均值传导EMI,9显示了峰值传导EMI。EMI测量的结果易受使用电容选择的RAMP频率的影响。1kHz是优化峰值测量的良好起点,但为了在特定系统中获得整体EMI的最佳结果,可能需要对该值进行一些微调。hReednc

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图8:LT3795平均值传导EMI。hReednc

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图9:LT3795峰值传导EMI。hReednc

LT3952:具有SSFM的多拓扑42VIN、60V/4A LED驱动器

LT3952是一款60V/4A电源开关式、恒流、恒压、多拓扑LED驱动器,提供可选的SSFM(10)。振荡器频率以伪随机方式从标称频率(fSW)变化到高于标称值的31%,步长为1%。这种单向调整使LT3952只需将标称频率编程至其上方一点就可以避免系统中的敏感频带(例如AM无线电频谱)。成比例的步长允许用户轻松确定适用于指定的EMI测试箱大小的时钟频率值(RT引脚),并且伪随机方法可以从频率变化本身提供音调抑制。hReednc

伪随机值的更新使用fSW/32的速率,与振荡器频率成正比。该速率允许整组频率在标准EMI测试停留时间内多次通过。hReednc

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图10:LT3952平均值传导EMI。hReednc

ADI公司还提供许多其他产品,可以有效地利用设计技术来降低EMI。如上所述,使用SSFM是其中一种技术。其他方法还包括减缓快速内部时钟边沿和内部滤波。采用我们的Silent Switcher技术实现了另一种创新方法,通过布局有效降低EMI。LT8640是一款独特的42V输入、微功率同步降压型开关稳压器,它将Silent Switcher技术和SSFM相结合以降低EMI。因此,当您在设计中再次遇到EMI问题时,请务必查看我们的低EMI产品,以帮助您更轻松地符合EMI标准。hReednc

作者简介

Greg Zimmer是ADI公司电池管理系统部的营销经理,在各种高性能信号调理IC的产品营销方面拥有丰富的经验。Greg拥有营销、技术营销、应用工程和模拟电路设计等方面的背景。hReednc

Greg拥有加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学学士学位以及加州大学圣克鲁兹分校经济学学士学位。联系方式:greg.zimmer@analog.comhReednc

Kevin Scott是ADI公司电源产品部的产品营销经理,负责管理升压、降压-升压和隔离转换器以及LED驱动器和线性稳压器。他曾担任高级战略营销工程师,负责制定技术培训内容,培训销售工程师,并撰写了大量关于公司众多产品技术优势的网站文章。他在半导体行业已有26年从业经验,担任过应用、业务管理和营销数个职务。hReednc

Kevin于1987年毕业于斯坦福大学,获得电气工程学士学位,并在短暂的NFL(美国橄榄球联盟)生涯后开始了他的工程技术职业生涯。联系方式:kevin.scott@analog.comhReednc

(原文标题:Spread Spectrum Frequency Modulation Reduces EMIhReednc

本文为《电子技术设计》2020年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里hReednc

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