擴(kuò)頻技術(shù)解決開關(guān)DC/DC電源和穩(wěn)壓器的開關(guān)噪聲

無論是IC，模塊還是機(jī)箱，開關(guān)DC/DC電源和穩(wěn)壓器通常都比線性電源更受歡迎，并且有充分的理由。通常，它們的效率更高，從而降低了功耗和成本，延長了運(yùn)行時(shí)間并減少了散熱。 (注意：有些情況下線性電源可能更有效，特別是當(dāng)輸入/輸出電壓差很小時(shí)。)

但是，開關(guān)電源存在問題，這會影響許多設(shè)計(jì)。由于其固有的內(nèi)部開關(guān)動作，它們比線性電源產(chǎn)生更多噪聲。噪聲頻率是基礎(chǔ)開關(guān)頻率的函數(shù)，通常在100 kHz和幾MHz之間，具體取決于設(shè)計(jì)和應(yīng)用，并包括多個(gè)諧波。

在捕獲低電平傳感器信號的設(shè)計(jì)中，此噪聲可能是不可接受的，必須使用額外的濾波來保持噪聲遠(yuǎn)離敏感的前端。在其他設(shè)計(jì)中，例如消費(fèi)產(chǎn)品和汽車，噪音不是系統(tǒng)性能本身的問題，但EMI的輻射噪聲意味著該設(shè)備將無法通過相關(guān)的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，如CISPR252[CISPR是法語的縮寫IEC委員會的名稱，稱為國際無線電干擾特別委員會]。然而，由于占位面積，BOM成本，耗散或功率使用的原因，回到線性電源可能是不可接受的。幸運(yùn)的是，開關(guān)電源控制IC的供應(yīng)商已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種方法來最小化噪聲問題。首先，它們正在減慢和管理轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘和定時(shí)信號的轉(zhuǎn)換速率和轉(zhuǎn)換，以減少一些發(fā)射。然而，它們也走得更遠(yuǎn)：一些設(shè)計(jì)已經(jīng)采用了通信頻譜管理，編碼和安全性中使用的技術(shù)來減輕噪聲問題。這種擴(kuò)頻方法是在沒有為用戶分配固定頻率或時(shí)隙的設(shè)備中使用的頻率和跳時(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。其他設(shè)計(jì)使用三角波進(jìn)行調(diào)制，從而將時(shí)鐘頻率掃描到標(biāo)稱值以上和以下的適度范圍內(nèi)。

問題和原理

重要的是要清楚EMI的基本參數(shù)。三個(gè)基本因素是頻譜，能量和幅度：

頻譜是顯而易見的：它是關(guān)注EMI的那些頻率或頻帶。

能量是總EMI在感興趣的范圍內(nèi);請注意，能量是功率的時(shí)間積分。

幅度是在頻譜中特定點(diǎn)測量的能量值。

當(dāng)EMI源，如切換時(shí)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生EMI能量，這種能量以兩種方式離開：沿低阻抗路徑傳導(dǎo)(主要通過導(dǎo)線和PC板跡線)，以及通過空氣或真空輻射電磁能量。通常，當(dāng)導(dǎo)線充當(dāng)天線時(shí)，傳導(dǎo)EMI會變成輻射EMI。

通過使用鐵氧體磁珠可以減少傳導(dǎo)EMI能量，而屏蔽可以衰減輻射能量。這些技術(shù)在許多情況下都是有效的，但每種技術(shù)都有電路板空間，裝配工作和物料清單的成本。然而，即使在衰減時(shí)，EMI對于各種情況仍然可能太高。這就是擴(kuò)頻的來源?；舅枷胧遣捎瞄_關(guān)轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘的固定頻率，并將其轉(zhuǎn)換為非固定頻率。這并不意味著電路只是將其改為另一個(gè)固定頻率，而EMI則不那么重要。通過調(diào)制開關(guān)頻率，峰值能量降低并分配到其他頻率及其諧波。

有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)頻率擴(kuò)展。在最簡單的方法中，三角波形控制時(shí)鐘，將其掃描到標(biāo)稱值附近(圖1)

圖1：三角波形(顯示)或梯形波形可用于調(diào)制切換臺的時(shí)鐘，從而通過頻段掃描其工作頻率，而不是以固定頻率工作。

在更復(fù)雜但更有效的方法中，時(shí)鐘頻率隨機(jī)抖動，盡管其標(biāo)稱或平均頻率保持與應(yīng)用擴(kuò)展之前相同。這種時(shí)鐘頻率的抖動并不是真正隨機(jī)的;相反，它是通過使用控制(調(diào)制)時(shí)鐘頻率的偽隨機(jī)碼序列來完成的(圖2)。然而，為此目的，這種時(shí)鐘變化是“足夠隨機(jī)的”。由此產(chǎn)生的總頻譜擴(kuò)展通常在標(biāo)稱頻率的1%到10%之間(±0.5到±5%)，但可能更多。

圖2：先進(jìn)的，但更多復(fù)雜的方法使用偽隨機(jī)數(shù)字序列來抖動時(shí)鐘，從而在整個(gè)跨度內(nèi)均勻分布寬帶工作范圍(由National Instruments提供)。

對于噪聲影響電路敏感部分的應(yīng)用，擴(kuò)頻可以將EMI頻率移到關(guān)注頻段之外。這可以解決許多在線問題，但它并非萬能的，因?yàn)镋MI能量仍可能使敏感的前端過載，并將其推入非線性模式甚至飽和。但是，擴(kuò)頻的真正的價(jià)值在于使產(chǎn)品能夠通過法規(guī)遵從性閾值。原因是這些閾值指定了頻譜中特定點(diǎn)的最大EMI能量，以及頻譜的規(guī)定頻帶內(nèi)的任何位置。通過測量這些點(diǎn)的振幅來確定該能量。擴(kuò)頻擴(kuò)展了頻譜上的EMI能量，因此任何給定頻段的值都會降低，希望低于規(guī)定限值。請注意，總EMI能量沒有變化，因?yàn)闆]有衰減。

IC供應(yīng)商嵌入功能IC供應(yīng)商已經(jīng)將擴(kuò)頻時(shí)鐘調(diào)制功能集成到一些開關(guān)IC和模塊中，以及時(shí)鐘控制器作為一個(gè)或多個(gè)功率調(diào)節(jié)器IC的系統(tǒng)時(shí)鐘。

凌力爾特公司提供LTC6902，這是一款精密，低功耗，易于使用的振蕩器，專門用于驅(qū)動時(shí)鐘輸入。一個(gè)或多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器，采用單相或多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖3)

圖3：凌力爾特公司的LTC6902時(shí)鐘振蕩器專為單相和多相電源而設(shè)計(jì);請注意驅(qū)動DAC的9位偽隨機(jī)序列發(fā)生器，后者又控制時(shí)鐘頻率。

振蕩器標(biāo)稱頻率范圍可以在5 kHz至20 MHz的寬范圍內(nèi)，并由單個(gè)外部電阻設(shè)置。該IC還提供可選的基于偽隨機(jī)的擴(kuò)頻調(diào)制模式，其跨度也由外部電阻設(shè)置。在此模式下，EMI能量的峰值幅度最多可降低20 dB(圖4)。

圖4：在典型設(shè)置中，擴(kuò)頻模式降低EMI在開關(guān)頻率上的尖峰達(dá)到20 dB，因?yàn)樗鼘⒛芰繑U(kuò)展到更寬的頻段。

如果您在汽車環(huán)境中工作，通常使用開關(guān)模式穩(wěn)壓器，您知道它們必須設(shè)計(jì)減輕他們固有的嘈雜性。這并不總是容易的，特別是因?yàn)槠囍须娮釉O(shè)備的功率和數(shù)量正在增長。為了提供幫助，凌力爾特創(chuàng)建了一個(gè)視頻，解釋了如何在其LT3795 LED驅(qū)動器中采用擴(kuò)頻調(diào)頻，通過使用三角形擴(kuò)頻實(shí)現(xiàn)高功率汽車LED驅(qū)動轉(zhuǎn)換，強(qiáng)大的短路保護(hù)和降低EMI調(diào)頻。在這種情況下，LED驅(qū)動器的擴(kuò)頻調(diào)頻專門設(shè)計(jì)用于與LED驅(qū)動器配合使用，并在LED以全功率運(yùn)行時(shí)以及在PWM調(diào)暗以實(shí)現(xiàn)亮度控制時(shí)防止可能的LED閃爍。

TPS8267x德州儀器(TI)的IC系列包括一系列完整的600 mA，DC/DC降壓電源器件，適用于低功耗應(yīng)用(圖5)。

圖5：德州儀器(TI)的TPS8267x系列低功耗DC/DC IC采用基本三角波形，以標(biāo)稱時(shí)鐘頻率為中心調(diào)制20%范圍內(nèi)的時(shí)鐘。

頻率抖動方案采用三角形分布和調(diào)制方式調(diào)制頻率。 IC包括開關(guān)穩(wěn)壓器，電感器和輸入/輸出電容器;使用它不需要其他組件。擴(kuò)頻架構(gòu)將開關(guān)頻率改變了標(biāo)稱開關(guān)頻率的大約±10%，從而顯著降低了輸入和輸出電源上的峰值輻射和傳導(dǎo)噪聲(圖6)。

圖6：使用TPS8267X系列的擴(kuò)頻模式，輻射噪聲的非調(diào)制峰現(xiàn)在分布在明確定義的諧波頻段上。

替代視圖《 br》開關(guān)DC/DC穩(wěn)壓器的擴(kuò)頻時(shí)鐘可以降低整個(gè)頻譜中給定頻段的傳導(dǎo)噪聲和輻射EMI，從而提高電路性能并使最終產(chǎn)品滿足法規(guī)要求。設(shè)計(jì)工程師對使用擴(kuò)頻技術(shù)有兩種看法：有些人認(rèn)為它是解決難題的有效方法，特別是面對“任意”的EMI發(fā)射標(biāo)準(zhǔn);其他人認(rèn)為這是一種“作弊”，它不能解決根本問題，只是掩飾它并可能使其成為電路和頻譜其他部分的問題。

你所處的問題取決于你項(xiàng)目的優(yōu)先事項(xiàng)，預(yù)算和時(shí)間緊縮。開關(guān)轉(zhuǎn)換器的擴(kuò)頻時(shí)鐘廣泛且成功使用，但它無法解決所有EMI問題，必須謹(jǐn)慎使用并仔細(xì)考慮技術(shù)情況。總之，開關(guān)電源通常比開關(guān)電源效率高得多。較舊的線性電源，但它們有一個(gè)不可避免的缺點(diǎn)：它們會產(chǎn)生開關(guān)噪聲。這種噪聲有兩個(gè)后果：它會影響電路性能，并且還會導(dǎo)致產(chǎn)品不符合最大產(chǎn)生EMI的各種監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。為了克服這個(gè)問題，一些切換器使用擴(kuò)頻技術(shù)。本文研究了敏感模擬前端和輻射EMI的開關(guān)噪聲問題，在電源噪聲環(huán)境中使用擴(kuò)頻，使用它可以(并且不能)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容，并提出了兩個(gè)有代表性的組件，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻拓?fù)洌绞絽s截然不同。