利用頻率擴(kuò)展技術(shù)改善開關(guān)的EMI性能

　　由于開關(guān)穩(wěn)壓器能夠極大地節(jié)省空間并具有極低的功耗，因此這種穩(wěn)壓器正在逐步取代線性穩(wěn)壓器，而進(jìn)入各種新型應(yīng)用中。但是，開關(guān)穩(wěn)壓器有一個(gè)缺點(diǎn)，其內(nèi)部開關(guān)電流可能產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。EMI的峰值能量集中在開關(guān)頻率上，降低EMI的傳統(tǒng)方法是謹(jǐn)慎處理接地、屏蔽和濾波。這些降低EMI的方法以控制和抑制穩(wěn)壓器內(nèi)部開關(guān)電流所產(chǎn)生的輻射為主。降低開關(guān)電流的幅度和改變頻率也能降低EMI。確切地說，多相同步和擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制(SSFM)是降低EMI的兩種強(qiáng)有力的工具。

　　多相同步技術(shù)

　　采用多個(gè)同步開關(guān)取代單個(gè)開關(guān)可以降低峰值開關(guān)電流。這種方法就是多相同步，通過從外部驅(qū)動開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，它用一個(gè)外部時(shí)鐘使穩(wěn)壓器之間產(chǎn)生相移。多相同步將每個(gè)開關(guān)的接通時(shí)間錯(cuò)開，這樣在以前是死區(qū)的地方就有了輸入電流。圖1顯示的是用單個(gè)200kHz時(shí)鐘工作的兩個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器的電源電流。左圖顯示的是未采用時(shí)鐘同步方法時(shí)的電流。右邊的圖顯示的則是讓第二個(gè)穩(wěn)壓器時(shí)鐘有180°相移時(shí)的電流，結(jié)果在兩倍頻(400kHz)上出現(xiàn)了較小的峰值電流，因此峰值EMI也較小。由于EMI現(xiàn)在于兩倍頻上，所以可以進(jìn)一步降低，因?yàn)樵谳^高頻率上濾波更有效。通過將時(shí)鐘信號相位劃分成多個(gè)相位增量，可以同步更多的穩(wěn)壓器，而每增加一個(gè)穩(wěn)壓器都會使EMI降低一些。很多兩相和多相穩(wěn)壓器都通過內(nèi)置時(shí)鐘相移來實(shí)施多相同步。

　　利用外部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)多相同步允許多個(gè)兩相或多相穩(wěn)壓器同步，而且根據(jù)電源要求需使用多個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)壓器時(shí)，有時(shí)也必須用外部時(shí)鐘進(jìn)行多相同步。硅振蕩器非常適用于這類應(yīng)用，因?yàn)楣枵袷幤髂軌蛱峁┒鄠€(gè)頻率和相位可編程的輸出。

　　應(yīng)該提到的是，多相同步的好處遠(yuǎn)不止于改善EMI。使用多個(gè)并聯(lián)的同步穩(wěn)壓器的一個(gè)基本作用是消除輸入和輸出的紋波電流，從而允許使用尺寸小得多的輸入和輸出電容器。多相解決方案具有較小的等效電感，因此可以實(shí)現(xiàn)較高的電流轉(zhuǎn)換率。就負(fù)載瞬態(tài)而言，多相解決方案還具有較短的開關(guān)延遲時(shí)間。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)得到改善以后，所需的輸出電容可以進(jìn)一步減小。

　　圖1：未采用和采用相位同步的兩個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器的電源電流。

　　擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制

　　對EMI的最大改善可以通過不斷改變開關(guān)的時(shí)鐘頻率來實(shí)現(xiàn)。這種方法叫做SSFM，它改善EMI的道理是，不允許輻射的能量在任何接收器頻帶內(nèi)長時(shí)間停留。開關(guān)穩(wěn)壓器采用SSFM的有效性取決于頻率擴(kuò)展量(典型值為±10%)和調(diào)制方式。

　　大多數(shù)開關(guān)都產(chǎn)生隨頻率變化的紋波，開關(guān)頻率越低、紋波越大，開關(guān)頻率越高、紋波越小。因此，如果開關(guān)時(shí)鐘是頻率調(diào)制的，那么開關(guān)的紋波就產(chǎn)生幅度調(diào)制。如果時(shí)鐘的調(diào)制信號是周期性的，如正弦波或三角波，那么就會出現(xiàn)周期性紋波調(diào)制，而且在調(diào)制頻率處出現(xiàn)一個(gè)截然不同的頻譜分量。因?yàn)檎{(diào)制頻率遠(yuǎn)低于開關(guān)的時(shí)鐘頻率，因此可能難以濾除。這有可能導(dǎo)致系統(tǒng)問題，如出現(xiàn)可聽單音或可見干擾，引起電源噪聲耦合或下行電路電源抑制受限問題。

　　偽隨機(jī)頻率調(diào)制可以避免這種周期性紋波。采用偽隨機(jī)頻率調(diào)制方法時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器的時(shí)鐘以偽隨機(jī)方式從一個(gè)頻率轉(zhuǎn)移到另一個(gè)頻率。由于開關(guān)輸出紋波的幅度是由一個(gè)類似噪聲的信號調(diào)制，因此輸出看起來好像沒有調(diào)制一樣，對下行系統(tǒng)的影響也微不足道。頻率轉(zhuǎn)移的速度或稱跳變速率越快，開關(guān)在給定頻率上工作的時(shí)間就越短(如圖2所示)，就給定接收器而言，EMI在“帶內(nèi)”的時(shí)間也就越短。

　　圖2：偽隨機(jī)調(diào)制和LTC6908跟蹤濾波器的作用。

　　不過，開關(guān)能跟得上的頻率變化速度(df/dt)是有限的。時(shí)鐘頻率突變時(shí)，在時(shí)鐘頻率的過渡邊緣將出現(xiàn)輸出尖峰(與負(fù)載階躍響應(yīng)非常類似)。較低的帶寬開關(guān)其尖峰更加顯著。出于這個(gè)原因，凌力爾特公司最新的SSFM振蕩器LTC6908中含有一個(gè)專有跟蹤濾波器，用以平滑從一個(gè)頻率向下一個(gè)頻率的過渡。大多數(shù)開關(guān)的帶寬都是標(biāo)稱開關(guān)頻率的1/10至1/20，這剛好適合LTC6908，LTC6908的缺省調(diào)制速率為標(biāo)稱時(shí)鐘頻率的1/16。就帶寬有限的開關(guān)而言，LTC6908的調(diào)制速率可以降低至標(biāo)稱時(shí)鐘頻率的1/32或甚至1/64，以確保恰當(dāng)?shù)胤€(wěn)壓。內(nèi)部濾波器跟蹤跳變速率，以在所有頻率和調(diào)制速率上實(shí)現(xiàn)最佳的平滑效果。

　　圖3：采用LTC6908的開關(guān)穩(wěn)壓器輸出頻譜(9kHz分辨率帶寬，峰值檢波器)。

　　圖4：LTC6908驅(qū)動兩個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器示意圖。

　　SSFM確實(shí)有用嗎？

　　在電磁兼容(EMC)領(lǐng)域，開關(guān)幾乎總是發(fā)射器，而其它所有東西都可能是接收器。在任意時(shí)刻，開關(guān)穩(wěn)壓器的峰值輻射看起來都是相同的，不管SSFM是否啟用。瞬時(shí)輻射的幅度是不變的，但是瞬時(shí)輻射的頻率確實(shí)在變。那么，SSFM怎么起作用呢？SSFM的有效性取決于頻率擴(kuò)展量和頻率調(diào)制速率與接收器帶寬的相對關(guān)系。接收器要接收輻射“瞬態(tài)表征”，就需要具有無限大的帶寬，所幸的是，每個(gè)實(shí)際系統(tǒng)都只具有有限的帶寬。系統(tǒng)帶寬決定了兩個(gè)重要特性：接收器響應(yīng)的頻率范圍；在遇到EMI時(shí)接收器的響應(yīng)(其響應(yīng)時(shí)間)有多快。如果相對于系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，輻射信號不常進(jìn)入測量系統(tǒng)的頻帶，而且進(jìn)入以后停留時(shí)間非常短，那么EMI就會極大地降低。當(dāng)然，系統(tǒng)不同，性能提升情況也不同，而且盡管SSFM可以帶來改善，但是不能用SSFM取代標(biāo)準(zhǔn)布線、濾波和屏蔽等方法。

　　表1：目前規(guī)定的各種帶寬一覽表。

　　除了要考慮系統(tǒng)內(nèi)的EMC問題，所有系統(tǒng)都需要通過管理機(jī)構(gòu)規(guī)定的EMC測試，這樣才能進(jìn)入市場銷售。在管理機(jī)構(gòu)規(guī)定的EMC測試中，測試設(shè)備的帶寬按照嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定(CISPR 16-1)，這些標(biāo)準(zhǔn)反映人們感興趣的實(shí)際帶寬。管理機(jī)構(gòu)首先使用稱為峰值檢波器的包絡(luò)檢波器。合格的峰值檢波器測量結(jié)果進(jìn)一步用準(zhǔn)峰值檢波器處理，以根據(jù)信號的重復(fù)速率權(quán)衡信號測量的效果。很多機(jī)構(gòu)還用平均檢波器進(jìn)行測試，簡單地說，就是通過頻率非常低的低通濾波器處理峰值檢波后的輸出。

　　前面討論的各種機(jī)制在這里也同樣起作用。具體地說，通過限制輻射在測量頻帶內(nèi)停留的時(shí)間，SSFM降低了峰值檢波器的測量值。如果輻射不常進(jìn)入測量頻帶，用準(zhǔn)峰值檢波器會帶來進(jìn)一步改善，而且用平均檢波器甚至?xí)砀蟮母纳?，因?yàn)槠骄鶐?nèi)時(shí)間縮短了。

　　本文小結(jié)

　　使用多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，多相同步具有顯而易見的好處(如降低EMI)。至于SSFM在降低EMI方面的作用，這取決于人們感興趣的帶寬。SSFM不能取代合適的設(shè)計(jì)，但是這種方法可以帶來改善，以符合有關(guān)EMC的規(guī)定。多相同步和SSFM實(shí)施起來都很簡單。采用凌力爾特公司的LTC6908，其標(biāo)稱開關(guān)頻率可以用單個(gè)電阻設(shè)置，擴(kuò)頻量是固定在的±10%，輸出之間的相位關(guān)系也是固定的。用戶只要在3個(gè)調(diào)制頻率中選定一個(gè)，SSFM就啟動了，因此從SSFM獲益就像“按開關(guān)”一樣容易。