【導讀】電磁輻射 (EMR)、電磁干擾 (EMI) 和電磁兼容性 (EMC)是涉及來(lái)自帶電粒子的能量以及可能干擾電路性能和信號傳輸的相關(guān)磁場(chǎng)的術(shù)語(yǔ)。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信的激增，通信裝置不計其數，再加上越來(lái)越多的通信方法 (包括蜂窩、Wi-Fi、衛星、GPS 等) 使用的頻譜越來(lái)越多(有些頻帶相互重疊)，電磁干擾成了客觀(guān)存在的事實(shí)。
為了減輕此影響，許多政府機構和監管組織對通信裝置、設備和儀器可發(fā)射的輻射量設定了限制。這類(lèi)規范的示例之一是 CISPR 16-1-3，它涉及無(wú)線(xiàn)電干擾和抗擾度測量設備和測量方法。
根據其特征，電磁干擾可分為傳導干擾(通過(guò)電源傳輸)或輻射干擾(通過(guò)空氣傳輸)。開(kāi)關(guān)電源會(huì )產(chǎn)生兩種類(lèi)型的干擾。ADI為減少傳導干擾和輻射干擾實(shí)施的一項技術(shù)是擴頻頻率調制(SSFM)。
該技術(shù)用于我們一些基于電感和電容的開(kāi)關(guān)電源、硅振蕩器和 LED 驅動(dòng)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(guò)長(cháng)時(shí)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制速率。對于開(kāi)關(guān)穩壓器應用來(lái)說(shuō)，典型擴展量為 ±10%，最佳調制速率取決于調制方式。SSFM 可采用各種頻率擴展方法，例如使用正弦波或三角波調制時(shí)鐘頻率。
調制方法
大多數開(kāi)關(guān)穩壓器都會(huì )呈現與頻率相關(guān)的紋波：開(kāi)關(guān)頻率越低則紋波越多，開(kāi)關(guān)頻率越高則紋波越少。因此，如果對開(kāi)關(guān)時(shí)鐘進(jìn)行頻率調制，則開(kāi)關(guān)穩壓器的紋波將呈現幅度調制。如果時(shí)鐘的調制信號是周期性的 (例如正弦波或三角波)，則將呈現周期性的紋波調制，而且在調制頻率上存在一個(gè)明顯的頻譜分量 (圖 1)。
圖 1. 由時(shí)鐘的正弦波頻率調制引起的開(kāi)關(guān)穩壓器紋波圖解
由于調制頻率遠低于開(kāi)關(guān)穩壓器的時(shí)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，這可能導致可聽(tīng)音或明顯的偽像等問(wèn)題。偽隨機頻率調制能夠消除這種周期性紋波。采用偽隨機頻率調制時(shí)，時(shí)鐘以偽隨機方式從一個(gè)頻率轉換到另一個(gè)頻率。由于開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出紋波由類(lèi)噪聲信號進(jìn)行幅度調制，因此輸出看似沒(méi)有進(jìn)行調制，而且下游系統的影響可以忽略不計。
調制量
隨著(zhù) SSFM 頻率范圍的增加，帶內時(shí)間的百分比減少。從下方圖 2 中可以看到，與單個(gè)未調制的窄帶信號相比，調制頻率呈現為寬帶信號而且峰值降低 20 dB。如果發(fā)射信號不常進(jìn)入接收器的頻帶而且停留的時(shí)間很短 (相對于其響應時(shí)間)，則可以顯著(zhù)降低 EMI。例如，在降低 EMI 方面，±10% 的頻率調制比±2% 的頻率調制有效得多。不過(guò)，開(kāi)關(guān)穩壓器所能容許的頻率范圍是有限的。一般來(lái)說(shuō)，大多數開(kāi)關(guān)穩壓器都能輕松容忍±10% 的頻率變化。
圖 2. 擴頻調制在更寬的時(shí)鐘頻帶內產(chǎn)生更低的峰值能量
調制速率
與調制量類(lèi)似，對于某個(gè)給定的接收器，隨著(zhù)頻率調制速率的增加 (跳頻速率)，給定接收器的 EMI 處于帶內的時(shí)間將減少，因此 EMI將降低。然而，開(kāi)關(guān)穩壓器所能跟蹤的頻率變化速率(dF/dt) 具有一個(gè)限值。其解決方案則是找出那個(gè)不影響開(kāi)關(guān)穩壓器輸出調節性能的最高調制速率。
測量 EMI
測量 EMI 的典型方法為峰值檢測、準峰值檢測或平均值檢測。對于這些測試而言，適當地設置測試設備的帶寬，以反映實(shí)際目標帶寬并確定 SSFM 的有效性。在進(jìn)行頻率調制時(shí)，檢測器會(huì )隨著(zhù)發(fā)射掃描整個(gè)檢測器的頻帶而進(jìn)行響應。當檢測器的帶寬相較于調制速率較小時(shí)，檢測器的有限響應時(shí)間會(huì )導致 EMI 測量值衰減。
相反，檢測器的響應時(shí)間不會(huì )影響固定頻率發(fā)射，從而不會(huì )觀(guān)測到 EMI 衰減。峰值檢測測試顯示通過(guò)SSFM得到的改善直接對應于衰減量。準峰值檢測測試還可以顯示進(jìn)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(lái)自 SSFM 的占空比隨發(fā)射在檢測器頻帶內所占的時(shí)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(guò)濾峰值檢測信號，從而生成平均帶內能量。在固定頻率發(fā)射時(shí)，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時(shí)間量均進(jìn)行衰減，從而產(chǎn)生更低的平均值檢測結果。許多監管測試要求系統通過(guò)準峰值和平均值兩種檢測測試。
SSFM 和接收器帶寬
無(wú)論是否啟用 SSFM，在任何時(shí)刻，開(kāi)關(guān)穩壓器的峰值發(fā)射可能看起來(lái)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(shí)的發(fā)射快照，需要無(wú)限帶寬。每個(gè)實(shí)際系統的帶寬都是有限的。如果時(shí)鐘頻率的變化快于接收器的帶寬，將顯著(zhù)降低接收干擾。
圖 3. 使用啟用 SSFM 和未啟用 SSFM 的 LTC6908 開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出頻譜 (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(kāi)關(guān)電源提供時(shí)鐘。多相操作有效地增加了系統的開(kāi)關(guān)頻率 (因為相位表現 為開(kāi)關(guān)頻率的增加)，并且擴頻調制使每個(gè)器件在一定頻率范圍內開(kāi)關(guān)，從而在更寬的頻帶上擴展傳導 EMI。LTC6908 具有 5 kHz至 10 MHz 的頻率范圍，提供兩個(gè)輸出，并具有兩種可選版本：
LTC6908-1 提供具有 180° 相移的兩個(gè)輸出，而 LTC6908-2 提供具有 90° 相移的兩個(gè)輸出。前者非常適合同步兩個(gè)單開(kāi)關(guān)穩壓器，后者則非常適合同步兩個(gè)雙相雙開(kāi)關(guān)穩壓器。
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(wèn)題，這些硅振蕩器使用偽隨機頻率調制。利用該技術(shù)，開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)鐘以偽隨機方式從一個(gè)頻率轉換到另一個(gè)頻率。頻率偏移率或跳頻速率越高，開(kāi)關(guān)穩壓器在給定頻率下的工作時(shí)間越短，并且對于給定的接收器間隔，EMI 在帶內的時(shí)間將越短。
但是，跳頻速率有一個(gè)限制。如果頻率以超出開(kāi)關(guān)穩壓器帶寬的速率跳變，則可能會(huì )在時(shí)鐘頻率轉換邊沿發(fā)生輸出尖峰。較小的開(kāi)關(guān)穩壓器帶寬會(huì )導致更明顯的尖峰。因此，LTC6908 和LTC6909 包含一個(gè)專(zhuān)有的跟蹤濾波器，可以實(shí)現從一個(gè)頻率到下一個(gè)頻率的平滑轉換 (LTC6902 采用一個(gè) 25 kHz的內部低通濾波器)。內部濾波器跟蹤跳頻速率，為所有頻率和調制速率提供最佳平滑性能。
圖 4. 偽隨機調制說(shuō)明了 LTC6908/LTC6909 內部跟蹤濾波器的影響
對于許多邏輯系統來(lái)說(shuō)，這種濾波調制信號可能是可接受的，但必須仔細考慮逐周期的抖動(dòng)問(wèn)題。即便使用了跟蹤濾波器，給定穩壓器的帶寬仍有可能不足以滿(mǎn)足高速率頻率調制的要求。為應對帶寬限制，LTC6908/LTC6909 的跳頻速率可以從默認速率 (即標稱(chēng)頻率的 1/16) 降低到標稱(chēng)頻率的 1/32 或 1/64。
電源中的 SSFM
開(kāi)關(guān)穩壓器基于逐周期運行，以將功率傳輸到輸出。在大多數情況下，工作頻率要么是固定的，要么是基于輸出負載的常數。這種轉換方法在工作頻率 (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 降壓型穩壓器
為了降低開(kāi)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的內部振蕩器設計用于產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，其周期在逐周期的基礎上是隨機的，但固定在標稱(chēng)頻率的 70% 到 130% 之間。這有利于在一定頻率范圍內擴展開(kāi)關(guān)噪聲，從而顯著(zhù)降低峰值噪聲。如果 CLKIN 接地或由外部頻率同步信號驅動(dòng)，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(gè) 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 同步降型轉換器
LT8609是一款微功率降壓型轉換器，可在高開(kāi)關(guān)頻率下保持高效率 (2 MHz 時(shí)為 93%)，從而允許使用更小的外部元件。SSFM模式的操作類(lèi)似于跳躍脈沖工作模式，其主要區別在于開(kāi)關(guān)頻 率由 3 kHz 三角波上下調制。調制范圍的低端通過(guò)開(kāi)關(guān)頻率 (由RT 引腳上的電阻設置) 設置，高端則設置為比 RT 設置的頻率高約 20%。要啟用擴頻模式，須將 SYNC 引腳連接到 INTVCC 或將其驅動(dòng)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 的電荷泵降壓型穩壓器，可生成時(shí)鐘脈沖，其周期在逐周期的基礎上是隨機的，但固定在 1 MHz 到 1.6 MHz 之間。圖 6和圖 7 顯示了與傳統降壓型轉換器相比，LTC3251 的擴頻特性顯著(zhù)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 驅動(dòng)器中的 SSFM
LT3795：具有 SSFM 的 110 V 多拓撲 LED 控制器
對于汽車(chē)和顯示屏照明應用的 EMI 問(wèn)題而言，開(kāi)關(guān)穩壓器 LED 驅動(dòng)器也是個(gè)麻煩。為了提高 EMI 性能， LT3795 110 V 多拓撲LED 驅動(dòng)控制器集成了 SSFM。如果 RAMP 引腳上有一個(gè)電容，則會(huì )產(chǎn)生一個(gè)介于 1 V 和 2 V 之間的三角波。然后將該信號饋入內部振蕩器，在基頻的 70% 和基頻之間對開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行調制，基頻由時(shí)鐘頻率設置電阻 RT 設定。
調制頻率計算公式如下：
12µA/(2 • 1V • CRAMP)
圖 8 和圖 9 顯示了傳統的升壓開(kāi)關(guān)轉換器電路 (將 RAMP 引腳連接到 GND) 和啟用擴頻調制的升壓開(kāi)關(guān)轉換器 (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 EMI，圖 9 顯示了峰值傳導 EMI。EMI 測量的結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(diǎn)，但為了在特定系統中獲得整體 EMI 的最佳結果，可能需要對該值進(jìn)行一些微調。
圖 8. LT3795 平均值傳導 EMI
圖 9. LT3795 峰值傳導 EMI
LT3952：具有 SSFM 的多拓撲 42 VIN, 60V/4A LED 驅動(dòng)器
LT3952是一款 60 V/4 A 電源開(kāi)關(guān)式、恒流、恒壓、多拓撲 LED 驅動(dòng)器，提供可選的 SSFM。振蕩器頻率以偽隨機方式從標稱(chēng)頻率(fSW) 變化到高于標稱(chēng)值的 31%，步長(cháng)為 1%。這種單向調整使LT3952只需將標稱(chēng)頻率編程至其上方一點(diǎn)就可以避免系統中的敏感頻帶 (例如 AM 無(wú)線(xiàn)電頻譜)。成比例的步長(cháng)允許用戶(hù)輕松確定適用于指定的 EMI 測試倉大小的時(shí)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準 EMI 測試停留時(shí)間內多次通過(guò)。
圖 10. LT3952 平均值傳導 EMI。
ADI 還提供許多其他產(chǎn)品，可以有效地利用設計技術(shù)來(lái)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 減緩快速內部時(shí)鐘邊沿和內部濾波。采用我們的 Silent Switcher™ 技術(shù)實(shí)現了另一種創(chuàng )新方法，通過(guò)布局有效降低 EMI。
LT8640
● Silent Switcher® 架構：
（1）超低 EMI / EMC 輻射
（2）擴頻調制
● 在高頻下實(shí)現高效率
（1）在 1MHz、12VIN 至 5VOUT 轉換時(shí)達 96%
（2）在 2MHz、12VIN 至 5VOUT 轉換時(shí)達 95%
● 寬輸入電壓范圍：3.4V 至 42V
● 5A 最大連續電流，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 (調節 12VIN 至 3.3VOUT)
（1）輸出紋波 < 10mVP-P
● 快速最小接通時(shí)間：30ns
● 在所有條件下均可提供低壓差：100mV (在 1A)
● 強制連續模式 (僅限 LT8640-1)
● 可在過(guò)載情況下安全承受電感器飽和
● 可調及可同步頻率范圍：200kHz 至 3MHz
● 峰值電流模式操作
● 輸出軟起動(dòng)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(kāi)關(guān)穩壓器，它將 Silent Switcher 技術(shù)和 SSFM 相結合以降低 EMI。因此，當您在設計中再次遇到 EMI 問(wèn)題時(shí)，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 標準。
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