為了減輕此影響，許多政府機構(gòu)和監(jiān)管組織對通信裝置、設(shè)備和儀器可發(fā)射的輻射量設(shè)定了限制。這類規(guī)范的示例之一是 CISPR 16-1-3，它涉及無線電干擾和抗擾度測量設(shè)備和測量方法。

 

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)電源會產(chǎn)生兩種類型的干擾。ADI為減少傳導(dǎo)干擾和輻射干擾實施的一項技術(shù)是擴頻頻率調(diào)制(SSFM)。

 

該技術(shù)用于我們一些基于電感和電容的開關(guān)電源、硅振蕩器和 LED 驅(qū)動器，將噪聲擴展到更寬的頻帶上，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(guān)鍵決定因素是頻率擴展量和調(diào)制速率。對于開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)用來說，典型擴展量為 ±10%，最佳調(diào)制速率取決于調(diào)制方式。SSFM 可采用各種頻率擴展方法，例如使用正弦波或三角波調(diào)制時鐘頻率。

 

調(diào)制方法

 

大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器都會呈現(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)頻率越高則紋波越少。因此，如果對開關(guān)時鐘進行頻率調(diào)制，則開關(guān)穩(wěn)壓器的紋波將呈現(xiàn)幅度調(diào)制。如果時鐘的調(diào)制信號是周期性的 (例如正弦波或三角波)，則將呈現(xiàn)周期性的紋波調(diào)制，而且在調(diào)制頻率上存在一個明顯的頻譜分量 (圖 1)。

 

圖 1. 由時鐘的正弦波頻率調(diào)制引起的開關(guān)穩(wěn)壓器紋波圖解

 

由于調(diào)制頻率遠低于開關(guān)穩(wěn)壓器的時鐘頻率，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)致可聽音或明顯的偽像等問題。偽隨機頻率調(diào)制能夠消除這種周期性紋波。采用偽隨機頻率調(diào)制時，時鐘以偽隨機方式從一個頻率轉(zhuǎn)換到另一個頻率。由于開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波由類噪聲信號進行幅度調(diào)制，因此輸出看似沒有進行調(diào)制，而且下游系統(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)時間的百分比減少。從下方圖 2 中可以看到，與單個未調(diào)制的窄帶信號相比，調(diào)制頻率呈現(xiàn)為寬帶信號而且峰值降低 20 dB。如果發(fā)射信號不常進入接收器的頻帶而且停留的時間很短 (相對于其響應(yīng)時間)，則可以顯著降低 EMI。例如，在降低 EMI 方面，±10% 的頻率調(diào)制比±2% 的頻率調(diào)制有效得多。不過，開關(guān)穩(wěn)壓器所能容許的頻率范圍是有限的。一般來說，大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器都能輕松容忍±10% 的頻率變化。

 

圖 2. 擴頻調(diào)制在更寬的時鐘頻帶內(nèi)產(chǎn)生更低的峰值能量

 

調(diào)制速率

 

與調(diào)制量類似，對于某個給定的接收器，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) 具有一個限值。其解決方案則是找出那個不影響開關(guān)穩(wěn)壓器輸出調(diào)節(jié)性能的最高調(diào)制速率。

 

測量 EMI

 

測量 EMI 的典型方法為峰值檢測、準(zhǔn)峰值檢測或平均值檢測。對于這些測試而言，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置測試設(shè)備的帶寬，以反映實際目標(biāo)帶寬并確定 SSFM 的有效性。在進行頻率調(diào)制時，檢測器會隨著發(fā)射掃描整個檢測器的頻帶而進行響應(yīng)。當(dāng)檢測器的帶寬相較于調(diào)制速率較小時，檢測器的有限響應(yīng)時間會導(dǎo)致 EMI 測量值衰減。

 

相反，檢測器的響應(yīng)時間不會影響固定頻率發(fā)射，從而不會觀測到 EMI 衰減。峰值檢測測試顯示通過SSFM得到的改善直接對應(yīng)于衰減量。準(zhǔn)峰值檢測測試還可以顯示進一步的 EMI 改善，因為它包括了占空比的影響。具體而言，固定頻率發(fā)射產(chǎn)生 100% 的占空比，而來自 SSFM 的占空比隨發(fā)射在檢測器頻帶內(nèi)所占的時間量而減少。

 

最后，平均值檢測測試能夠顯示最明顯的 EMI 改善，因為它使用低通過濾峰值檢測信號，從而生成平均帶內(nèi)能量。在固定頻率發(fā)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(nèi)時間量均進行衰減，從而產(chǎn)生更低的平均值檢測結(jié)果。許多監(jiān)管測試要求系統(tǒng)通過準(zhǔn)峰值和平均值兩種檢測測試。

 

SSFM 和接收器帶寬

 

無論是否啟用 SSFM，在任何時刻，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的有效性部分取決于接收器的帶寬。要接收瞬時的發(fā)射快照，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，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)電源提供時鐘。多相操作有效地增加了系統(tǒng)的開關(guān)頻率 (因為相位表現(xiàn) 為開關(guān)頻率的增加)，并且擴頻調(diào)制使每個器件在一定頻率范圍內(nèi)開關(guān)，從而在更寬的頻帶上擴展傳導(dǎo) EMI。LTC6908 具有 5 kHz至 10 MHz 的頻率范圍，提供兩個輸出，并具有兩種可選版本：

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(guān)穩(wěn)壓器，后者則非常適合同步兩個雙相雙開關(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，最多可編程提供八相輸出。

 

為了解決上述周期性紋波問題，這些硅振蕩器使用偽隨機頻率調(diào)制。利用該技術(shù)，開關(guān)穩(wěn)壓器時鐘以偽隨機方式從一個頻率轉(zhuǎn)換到另一個頻率。頻率偏移率或跳頻速率越高，開關(guān)穩(wěn)壓器在給定頻率下的工作時間越短，并且對于給定的接收器間隔，EMI 在帶內(nèi)的時間將越短。

 

但是，跳頻速率有一個限制。如果頻率以超出開關(guān)穩(wěn)壓器帶寬的速率跳變，則可能會在時鐘頻率轉(zhuǎn)換邊沿發(fā)生輸出尖峰。較小的開關(guān)穩(wěn)壓器帶寬會導(dǎo)致更明顯的尖峰。因此，LTC6908 和LTC6909 包含一個專有的跟蹤濾波器，可以實現(xiàn)從一個頻率到下一個頻率的平滑轉(zhuǎn)換 (LTC6902 采用一個 25 kHz的內(nèi)部低通濾波器)。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性能。

 

圖 4. 偽隨機調(diào)制說明了 LTC6908/LTC6909 內(nèi)部跟蹤濾波器的影響

 

對于許多邏輯系統(tǒng)來說，這種濾波調(diào)制信號可能是可接受的，但必須仔細考慮逐周期的抖動問題。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滿足高速率頻率調(diào)制的要求。為應(yīng)對帶寬限制，LTC6908/LTC6909 的跳頻速率可以從默認速率 (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 IN DC/DC µModule 降壓型穩(wěn)壓器

 

為了降低開關(guān)噪聲，可以將 LTM4608AA 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(nèi)部振蕩器設(shè)計用于產(chǎn)生時鐘脈沖，其周期在逐周期的基礎(chǔ)上是隨機的，但固定在標(biāo)稱頻率的 70% 到 130% 之間。這有利于在一定頻率范圍內(nèi)擴展開關(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驅(qū)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 0.01 μF 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：

 

RSR ≥ 1 / −(ln(1− 0.592/VIN)*500*CSR) 

 

圖 5. 啟用擴頻的 LTM4608A。

 

LT8609 具有 SSFM 的 42 V 輸入、2 A 同步降型轉(zhuǎn)換器

 

LT8609是一款微功率降壓型轉(zhuǎn)換器，可在高開關(guān)頻率下保持高效率 (2 MHz 時為 93%)，從而允許使用更小的外部元件。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，高端則設(shè)置為比 RT 設(shè)置的頻率高約 20%。要啟用擴頻模式，須將 SYNC 引腳連接到 INTVCC 或?qū)⑵潋?qū)動到 3.2 V 和 5 V 之間的電壓。

 

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，可生成時鐘脈沖，其周期在逐周期的基礎(chǔ)上是隨機的，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 的擴頻特性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(qū)動器中的 SSFM

LT3795：具有 SSFM 的 110 V 多拓撲 LED 控制器

 

對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)動器也是個麻煩。為了提高 EMI 性能， LT3795 110 V 多拓撲LED 驅(qū)動控制器集成了 SSFM。如果 RAMP 引腳上有一個電容，則會產(chǎn)生一個介于 1 V 和 2 V 之間的三角波。然后將該信號饋入內(nèi)部振蕩器，在基頻的 70% 和基頻之間對開關(guān)頻率進行調(diào)制，基頻由時鐘頻率設(shè)置電阻 RT 設(shè)定。

 

調(diào)制頻率計算公式如下：

 

12µA/(2 • 1V • CRAMP) 

 

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) 和啟用擴頻調(diào)制的升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器 (RAMP 引腳上為 6.8nF) 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)化峰值測量的良好起點，但為了在特定系統(tǒng)中獲得整體 EMI 的最佳結(jié)果，可能需要對該值進行一些微調(diào)。

 

圖 8. LT3795 平均值傳導(dǎo) EMI

 

圖 9. LT3795 峰值傳導(dǎo) EMI

 

LT3952：具有 SSFM 的多拓撲 42 VIN, 60V/4A  LED 驅(qū)動器

 

LT3952是一款 60 V/4 A 電源開關(guān)式、恒流、恒壓、多拓撲 LED 驅(qū)動器，提供可選的 SSFM。振蕩器頻率以偽隨機方式從標(biāo)稱頻率(fSW) 變化到高于標(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一點就可以避免系統(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指定的 EMI 測試倉大小的時鐘頻率值 (RT 引腳)，并且偽隨機方法可以從頻率變化本身提供音調(diào)抑制。

 

偽隨機值的更新使用 fSW/32 的速率，與振蕩器頻率成正比。該速率允許整組頻率在標(biāo)準(zhǔn) EMI 測試停留時間內(nèi)多次通過。

 

圖 10. LT3952 平均值傳導(dǎo) EMI。

 

ADI 還提供許多其他產(chǎn)品，可以有效地利用設(shè)計技術(shù)來降低 EMI。如上所述，使用 SSFM 是其中一種技術(shù)。其他方法還包括 減緩快速內(nèi)部時鐘邊沿和內(nèi)部濾波。采用我們的 Silent Switcher™ 技術(shù)實現(xiàn)了另一種創(chuàng)新方法，通過布局有效降低 EMI。

 

LT8640

 

● Silent Switcher® 架構(gòu)：

（1）超低 EMI / EMC 輻射

（2）擴頻調(diào)制

● 在高頻下實現(xiàn)高效率

（1）在 1MHz、12VIN 至 5VOUT 轉(zhuǎn)換時達 96%

（2）在 2MHz、12VIN 至 5VOUT 轉(zhuǎn)換時達 95%

● 寬輸入電壓范圍：3.4V 至 42V

● 5A 最大連續(xù)電流，7A 峰值瞬態(tài)輸出

● 超低靜態(tài)電流突發(fā)模式 (Burst Mode®) 操作：

2.5μA IQ (調(diào)節(jié) 12VIN 至 3.3VOUT)

（1）輸出紋波 < 10mVP-P

● 快速最小接通時間：30ns

● 在所有條件下均可提供低壓差：100mV (在 1A)

● 強制連續(xù)模式 (僅限 LT8640-1)

● 可在過載情況下安全承受電感器飽和

● 可調(diào)及可同步頻率范圍：200kHz 至 3MHz

● 峰值電流模式操作

● 輸出軟起動和跟蹤

● 小外形 18 引腳 3mm x 4mm QFN 封裝

 

LT8640是一款獨特的 42 V 輸入、微功率同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，它將 Silent Switcher 技術(shù)和 SSFM 相結(jié)合以降低 EMI。因此，當(dāng)您在設(shè)計中再次遇到 EMI 問題時，請務(wù)必查看我們的低 EMI 產(chǎn)品，以幫助您更輕松地符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。

 

 

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