通過擴頻調(diào)頻降低EMI

電磁輻射 （EMR）、電磁干擾 （EMI） 和電磁兼容性 （EMC） 是與帶電粒子和相關(guān)磁場的能量相關(guān)的術(shù)語，這些能量可能會干擾電路性能和信號傳輸。隨著無線通信的普及，通信設(shè)備的增多，以及越來越多的通信方法（包括蜂窩、Wi-Fi、衛(wèi)星、GPS 等）使用越來越多的頻譜（有些頻段重疊），電磁干擾是生活中的事實。為了減輕影響，許多政府機構(gòu)和監(jiān)管機構(gòu)對通信設(shè)備、設(shè)備和儀器可以發(fā)射的輻射量設(shè)定了限制。這種規(guī)范的一個例子，CISPR 16-1-3，

電磁干擾可分為傳導(dǎo)（通過電源傳輸）或輻射（通過空氣傳輸）。開關(guān)電源產(chǎn)生這兩種類型。ADI 公司為減少傳導(dǎo)和輻射干擾而實施的一項技術(shù)是擴頻調(diào)制 （SSFM）。這種技術(shù)用于我們的幾個基于電感器和電容器的開關(guān)電源、硅振蕩器和 LED 驅(qū)動器，以將噪聲傳播到更寬的頻帶，從而降低特定頻率的峰值和平均噪聲。

SSFM 通過不允許發(fā)射的能量在任何一個接收器頻帶中停留很長時間來改善 EMI。有效 SSFM 的關(guān)鍵決定因素是頻率擴展量和調(diào)制率。對于切換器應(yīng)用，±10% 的擴展是典型的，最佳調(diào)制率由調(diào)制曲線決定。SSFM 使用各種擴頻方法，例如用正弦波或三角波調(diào)制時鐘頻率。

調(diào)制方式

大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器都表現(xiàn)出與頻率相關(guān)的紋波：在較低開關(guān)頻率下紋波較大，在較高開關(guān)頻率下紋波較小。因此，如果對開關(guān)時鐘進行頻率調(diào)制，則開關(guān)的紋波將表現(xiàn)出幅度調(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，則在調(diào)制頻率上會有周期性的紋波調(diào)制和明顯的頻譜分量（圖 1）。

（圖 1. 由時鐘的正弦頻率調(diào)制引起的開關(guān)穩(wěn)壓器紋波示意圖。）

由于調(diào)制頻率遠低于切換器的時鐘，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，這可能會導(dǎo)致問題，例如可聽見的音調(diào)或可見的顯示偽影。偽隨機頻率調(diào)制可以避免這種周期性波動。使用偽隨機頻率調(diào)制，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)的輸出紋波由類似噪聲的信號進行幅度調(diào)制，因此輸出看起來好像沒有調(diào)制，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。在下面的圖 2 中，請注意與單個未調(diào)制窄帶信號相比，調(diào)制頻率如何顯示為峰值低 20 dB 的寬帶信號。如果發(fā)射信號在短時間內(nèi)（相對于其響應(yīng)時間）不頻繁地進入接收器的頻帶，則會顯著降低 EMI。例如，±10% 的頻率調(diào)制在降低 EMI 方面將比±2% 的頻率調(diào)制更有效。1但是，開關(guān)穩(wěn)壓器可以承受的頻率范圍有限。作為一般規(guī)則，大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器可以輕松承受 ±10% 的頻率變化。

（圖 2. 擴頻調(diào)制產(chǎn)生更寬的時鐘頻帶和更低的峰值能量。）

調(diào)制率

與調(diào)制量類似，隨著頻率調(diào)制率（跳躍率）的增加，EMI 在給定接收器的帶內(nèi)時間將減少，EMI 將減少。但是，切換器可以跟蹤的頻率變化率 （dF/dt） 是有限制的。解決方案是找到不影響切換器輸出調(diào)節(jié)的最高調(diào)制率。

測量 EMI

測量 EMI 的典型方法稱為峰值檢測、準(zhǔn)峰值檢測或平均檢測。對于這些測試，測試設(shè)備的帶寬被適當(dāng)設(shè)置以反映感興趣的現(xiàn)實世界帶寬，并確定 SSFM 的有效性。當(dāng)進行頻率調(diào)制時，檢測器會在發(fā)射掃過檢測器頻帶時做出響應(yīng)。當(dāng)檢波器的帶寬與調(diào)制速率相比較小時，檢波器的有限響應(yīng)時間會導(dǎo)致 EMI 測量衰減。相比之下，檢測器的響應(yīng)時間不會影響固定頻率發(fā)射，也沒有觀察到 EMI 衰減。峰值檢測測試顯示 SSFM 的改進直接對應(yīng)于衰減量。準(zhǔn)峰值檢測測試可以顯示進一步的 EMI 改進，因為它包括占空比的影響。具體來說，固定頻率發(fā)射產(chǎn)生 100% 的占空比，而 SSFM 的占空比會根據(jù)發(fā)射在探測器頻帶內(nèi)的時間量而降低。最后，平均檢測測試可以顯示出最顯著的 EMI 改進，因為它通過低通過濾峰值檢測信號，從而產(chǎn)生平均帶內(nèi)能量。與平均和峰值能量相等的固定頻率發(fā)射不同，SSFM 會衰減峰值檢測能量和帶內(nèi)時間量，從而降低平均檢測結(jié)果。許多監(jiān)管測試要求系統(tǒng)通過準(zhǔn)峰值和平均檢測測試。固定頻率發(fā)射產(chǎn)生 100% 的占空比，而 SSFM 的占空比會根據(jù)發(fā)射在探測器頻帶內(nèi)的時間量而降低。最后，平均檢測測試可以顯示出最顯著的 EMI 改進，因為它通過低通過濾峰值檢測信號，從而產(chǎn)生平均帶內(nèi)能量。與平均和峰值能量相等的固定頻率發(fā)射不同，SSFM 會衰減峰值檢測能量和帶內(nèi)時間量，從而降低平均檢測結(jié)果。許多監(jiān)管測試要求系統(tǒng)通過準(zhǔn)峰值和平均檢測測試。固定頻率發(fā)射產(chǎn)生 100% 的占空比，而 SSFM 的占空比會根據(jù)發(fā)射在探測器頻帶內(nèi)的時間量而降低。最后，平均檢測測試可以顯示出最顯著的 EMI 改進，因為它通過低通過濾峰值檢測信號，從而產(chǎn)生平均帶內(nèi)能量。與平均和峰值能量相等的固定頻率發(fā)射不同，SSFM 會衰減峰值檢測能量和帶內(nèi)時間量，從而降低平均檢測結(jié)果。許多監(jiān)管測試要求系統(tǒng)通過準(zhǔn)峰值和平均檢測測試。平均檢測測試可以顯示出最顯著的 EMI 改進，因為它通過低通過濾峰值檢測信號，從而產(chǎn)生平均帶內(nèi)能量。與平均和峰值能量相等的固定頻率發(fā)射不同，SSFM 會衰減峰值檢測能量和帶內(nèi)時間量，從而降低平均檢測結(jié)果。許多監(jiān)管測試要求系統(tǒng)通過準(zhǔn)峰值和平均檢測測試。平均檢測測試可以顯示出最顯著的 EMI 改進，因為它通過低通過濾峰值檢測信號，從而產(chǎn)生平均帶內(nèi)能量。與平均和峰值能量相等的固定頻率發(fā)射不同，SSFM 會衰減峰值檢測能量和帶內(nèi)時間量，從而降低平均檢測結(jié)果。許多監(jiān)管測試要求系統(tǒng)通過準(zhǔn)峰值和平均檢測測試。

SSFM 和接收機帶寬

無論是否啟用 SSFM，開關(guān)穩(wěn)壓器的峰值發(fā)射在任何時刻都可能相同。怎么可能？SSFM 的有效性部分取決于接收器的帶寬。接收排放的瞬時快照需要無限帶寬。每個實際系統(tǒng)都有有限的帶寬。如果時鐘頻率的變化快于接收器的帶寬，則接收到的干擾的減少將是顯著的。

（圖 3. 使用啟用和未啟用 SSFM 的 LTC6908 的開關(guān)穩(wěn)壓器輸出頻譜（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、四和二輸出多相硅振蕩器。這些器件通常用于為開關(guān)電源提供時鐘。多相操作有效地提高了系統(tǒng)的開關(guān)頻率（因為相位表現(xiàn)為開關(guān)頻率的增加），擴頻調(diào)制使每個設(shè)備在一個頻率范圍內(nèi)切換，從而將傳導(dǎo) EMI 擴展到更寬的頻帶。LTC6908 具有 5 kHz 至 10 MHz 的頻率范圍，提供兩個輸出，并且有兩個版本可供選擇：LTC6908-1 具有兩個輸出，它們之間具有 180° 相移，而 LTC6908-2 具有兩個輸出具有 90°它們之間的相移。前者是同步兩個單開關(guān)穩(wěn)壓器的理想選擇，后者是同步兩個雙兩相開關(guān)穩(wěn)壓器的理想選擇。四通道 LTC6902 具有 5 kHz 至 20 MHz 的頻率范圍，并可針對等間距的 2、3 或 4 相進行編程。LTC6909 具有 12kHz 至 6.67MHz 的頻率范圍，并且可以針對多達 8 個相位進行編程。

為了解決上述周期性紋波，這些硅振蕩器使用偽隨機頻率調(diào)制。使用這種技術(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。頻移率或跳躍率越高，切換器在給定頻率下運行的時間越短，并且對于給定的接收器間隔，EMI在帶內(nèi)的時間越短。

（圖 4. 說明 LTC6908/LTC6909 內(nèi)部跟蹤濾波器效果的偽隨機調(diào)制。）

然而，跳頻速率是有限制的。如果頻率跳變的速率超出開關(guān)穩(wěn)壓器的帶寬，則輸出尖峰可能會出現(xiàn)在時鐘頻率轉(zhuǎn)換邊緣。較低的切換器帶寬會導(dǎo)致更明顯的尖峰。出于這個原因，LTC6908 和 LTC6909 包括一個專有的跟蹤濾波器，它可以平滑從一個頻率到下一個頻率的轉(zhuǎn)換（LTC6902 使用一個內(nèi)部 25 kHz 低通濾波器）。內(nèi)部濾波器跟蹤跳頻，為所有頻率和調(diào)制速率提供最佳平滑。

這種濾波后的調(diào)制信號對于許多邏輯系統(tǒng)來說可能是可以接受的，但必須仔細考慮周期到周期的抖動問題。即使使用跟蹤濾波器，給定調(diào)節(jié)器的帶寬仍可能不足以實現(xiàn)高頻率調(diào)制。對于帶寬限制， LTC6908 /LTC6909 的跳頻速率可以從標(biāo)稱頻率的 1/16 的默認(rèn)速率降低到標(biāo)稱頻率的 1/32或 1/64的速率。

電源中的 SSFM

開關(guān)穩(wěn)壓器在逐個周期的基礎(chǔ)上運行，以將功率傳輸?shù)捷敵龆恕Ｔ诖蠖鄶?shù)情況下，工作頻率是固定的或恒定的，具體取決于輸出負載。這種轉(zhuǎn)換方法會在工作頻率（基波）和工作頻率的倍數(shù)（諧波）處產(chǎn)生大量噪聲分量。

單擊此處獲取具有擴頻頻率調(diào)制的降壓穩(wěn)壓器列表。

LTM4608A：具有 SSFM 的 8A、2.7V 至 5.5V輸入DC 至 DC μModule?降壓穩(wěn)壓器

為了降低開關(guān)噪聲，LTM4608A可以通過將 CLKIN 引腳連接到 SV IN來啟用擴頻工作（低功率電路電源電壓引腳）。在擴頻模式下，LTM4608A 的內(nèi)部振蕩器設(shè)計用于產(chǎn)生一個時鐘脈沖，其周期在逐個周期的基礎(chǔ)上是隨機的，但固定在標(biāo)稱頻率的 70% 和 130% 之間。這有利于將開關(guān)噪聲分散到一個頻率范圍內(nèi)，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，則擴展頻譜操作將被禁用。圖 5 顯示了啟用擴頻操作的操作電路。必須在 PLL LPF 引腳和地之間放置一個 0.01 μF 的電容，以控制擴頻頻率變化的壓擺率。組件值由以下等式確定：

LT8609：具有 SSFM 的 42V 輸入、2A 同步降壓轉(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 （2MHz 時為 93%） 下保持高效率，從而允許使用更小的外部組件。SSFM 模式的操作類似于脈沖跳躍模式操作，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)制范圍由開關(guān)頻率設(shè)置在低端（由 RT 引腳上的電阻器設(shè)置），在高端設(shè)置比 RT 設(shè)置的頻率高約 20% 的值。要啟用擴頻模式，請將 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。

（圖 5. 啟用擴頻的 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、基于單 500 mA/雙 250 mA 電荷泵的降壓型穩(wěn)壓器，可產(chǎn)生一個時鐘脈沖，其周期在逐個周期的基礎(chǔ)上是隨機的，但固定在 1 MHz 和1.6兆赫。圖 6 和圖 7 顯示了與傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器相比，LTC3251 的擴頻特性如何顯著降低峰值諧波噪聲并實際上消除了諧波。擴頻操作可通過 LTC3251 選擇，但始終通過 LTC3252 啟用。

（圖 7. 啟用 SSFM 的 LTC3251。）

LED 驅(qū)動器中的 SSFM

LT3795：具有 SSFM 的 110V 多拓撲 LED 控制器

開關(guān)穩(wěn)壓器 LED 驅(qū)動器對于涉及 EMI 的汽車和顯示照明應(yīng)用來說也很麻煩。為了提高 EMI 性能，LT3795 110 V 多拓撲 LED 驅(qū)動器控制器包括 SSFM。如果 RAMP 引腳上有一個電容器，則會產(chǎn)生一個在 1 V 和 2 V 之間掃描的三角波。然后將該信號饋入內(nèi)部振蕩器，以在基頻的 70% 和由時鐘頻率設(shè)置電阻 RT 設(shè)置的基頻之間調(diào)制開關(guān)頻率。調(diào)制頻率由下式設(shè)定：

圖 8 和圖 9 顯示了傳統(tǒng)升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器電路（連接到 GND 的 RAMP 引腳）和啟用擴頻調(diào)制的升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器（RAMP 引腳處為 6.8 nF）之間的噪聲頻譜比較。圖 8 顯示了平均傳導(dǎo) EMI，圖 9 顯示了峰值傳導(dǎo) EMI。EMI 測量結(jié)果對使用電容器選擇的 RAMP 頻率很敏感。1 kHz 是優(yōu)化峰值測量的良好起點，但可能需要對該值進行一些微調(diào)才能在特定系統(tǒng)中獲得最佳的整體 EMI 結(jié)果。

（圖 9. LT3795 峰值傳導(dǎo) EMI。）

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

LT3952是一款60V /4A 電源開關(guān)、恒流、恒壓多拓撲 LED 驅(qū)動器，具有可選的 SSFM。振蕩器頻率以偽隨機方式從標(biāo)稱頻率 （f SW ） 變化到標(biāo)稱頻率以上的 31%，步長為 1%。這種單向調(diào)整允許 LT3952 避開系統(tǒng)中的敏感頻帶（例如 AM 無線電頻譜），只需將標(biāo)稱頻率編程為略高于該頻率即可。比例步長允許用戶輕松確定此指定 EMI 測試箱大小的時鐘頻率值（RT 引腳），偽隨機方法提供頻率變化本身的音調(diào)抑制。

使用 f SW /32的速率，偽隨機值與振蕩器頻率成比例更新。該速率允許在標(biāo)準(zhǔn) EMI 測試停留時間內(nèi)多次通過整個頻率組。

（圖 10. LT3952 平均傳導(dǎo) EMI。）

ADI 公司還有許多其他產(chǎn)品可以有效地使用設(shè)計技術(shù)來降低 EMI。如前所述，使用 SSFM 是一種技術(shù)。其他方法包括減慢快速內(nèi)部時鐘邊沿和內(nèi)部過濾。另一項新技術(shù)是通過我們的 Silent Switcher ?技術(shù)實現(xiàn)的，該技術(shù)使用布局來有效降低 EMI。LT8640是一款獨特的42V 輸入、微功率、同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，它結(jié)合了 Silent Switcher 技術(shù)和 SSFM 以降低 EMI。

關(guān)于作者

Greg Zimmer 是 ADI 公司電池管理系統(tǒng)事業(yè)部的營銷經(jīng)理，在廣泛的高性能信號調(diào)理 IC 產(chǎn)品營銷方面擁有豐富的經(jīng)驗。Greg 的背景包括市場營銷、技術(shù)營銷、應(yīng)用工程和模擬電路設(shè)計。

Kevin Scott 是 ADI 公司電源產(chǎn)品部的產(chǎn)品營銷經(jīng)理，負責(zé)管理升壓、降壓-升壓和隔離轉(zhuǎn)換器，以及 LED 驅(qū)動器和線性穩(wěn)壓器。他之前曾擔(dān)任高級戰(zhàn)略營銷工程師，創(chuàng)建技術(shù)培訓(xùn)內(nèi)容，培訓(xùn)銷售工程師，并撰寫了大量關(guān)于公司廣泛產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢的網(wǎng)站文章。他在半導(dǎo)體行業(yè)從事應(yīng)用、業(yè)務(wù)管理和營銷工作 26 年。

審核編輯：郭婷