引言

在功率轉(zhuǎn)換器和其他器件中,展頻功能將窄帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為寬帶信號(hào),同時(shí)維持器件功能不變。通過(guò)將諧波峰值轉(zhuǎn)換為平滑的響應(yīng)以及諧波能量的相互混合,可減少器件及相關(guān)系統(tǒng)的電磁干擾 (EMI) 結(jié)果,從而改善運(yùn)行狀況。展頻可將峰值和平均 EMI 掃描的峰值包絡(luò)降低多達(dá)10dBμV,這使得設(shè)計(jì)人員能夠選擇尺寸更小、成本更低的輸入 EMI 濾波器。

第一個(gè)問(wèn)題是,降壓轉(zhuǎn)換器中的 EMI 來(lái)自哪里?降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)在連接到輸入電壓 (V_IN) 與連接到接地端 (GND) 之間進(jìn)行高頻切換時(shí),降壓轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換功率。占空比將開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的平均電壓設(shè)置為等于所選的輸出電壓。此開關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)提供直流輸出的低通電感器-電容器濾波器進(jìn)行饋電。大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器以固定頻率 (f_SW) 進(jìn)行開關(guān),因此會(huì)在該頻率及其諧波 (n x f_SW)上產(chǎn)生 EMI。來(lái)自基頻及其諧波的特征峰值有可能超出這些頻率下允許的最大 EMI 輻射。

圖 1.無(wú)展頻的固定頻率性能

在圖 1 中,隨時(shí)間推移,開關(guān)頻率 (f_SW = 2.1MHz) 保持恒定。輸出紋波是平坦的;超低頻的 EMI 掃描顯示的是本底噪聲,低頻的 EMI 掃描顯示的是尖峰峰值基頻和伴隨諧波,而高頻的 EMI 掃描顯示的則是高次諧波。

圖1中的紅線表示典型 EMI 測(cè)試的限制線。在展頻降壓轉(zhuǎn)換器中,f_SW 發(fā)生抖動(dòng),因此,器件在一定頻率范圍內(nèi)進(jìn)行開關(guān)。例如,如果器件在抖動(dòng) ±5%的情況下以 1MHz 的頻率進(jìn)行開關(guān),基頻發(fā)射將在0.95MHz 和 1.05MHz 之間或者在中心頻率上下50kHz 范圍內(nèi)傳播能量。二次諧波在 1.90MHz 和2.10MHz 之間或者中心頻率上下 100kHz 范圍內(nèi)傳播。

對(duì)于本例,在第 10 次或更高次諧波處,展頻開始相互融合,并且波峰已變成平坦的均能波形,該波形通常比沒(méi)有展頻的陡峭波峰頂部低 10dBμV。

以下描述內(nèi)容涵蓋了兩種常見(jiàn)的展頻實(shí)現(xiàn)方法,然后介紹了另外兩種改進(jìn)的方法。

一、三角調(diào)制法

三角調(diào)制法以三角形將 f_SW 上調(diào)和下調(diào)。典型展頻是±4% 到 ±10% (?f_SW),調(diào)制頻率為 4kHz 到 15kHz(f_m)。請(qǐng)參閱圖 2。

?優(yōu)點(diǎn)?

該方法簡(jiǎn)單易懂,便于實(shí)現(xiàn)。連續(xù)的上升和下降可確保沒(méi)有相同頻率的連續(xù)開關(guān)周期(這種周期將在該頻率及其相關(guān)諧波上引起尖峰)。三角調(diào)制也十分有利于將能量均勻分散到中心頻率之外,從而產(chǎn)生一個(gè)幾乎平坦的能量帶,僅在該能量帶的末端有一些波峰(波峰未在圖 2 中展示)。展頻功能能夠擴(kuò)展基頻以及高次諧波。

擴(kuò)展基頻將減小其幅度,從而使設(shè)計(jì)人員能夠選擇成本更低的輸入 EMI 濾波器。在輸入 LC 濾波器中,較低的基頻只需較小的電感和電容,即可保持在 EMI 測(cè)試限制線以下。使用三角調(diào)制可確保對(duì)基頻的這種展頻具有合理的平坦度且均勻分布。其他方法會(huì)加大中心頻率或最終頻率的權(quán)重,因而導(dǎo)致基頻和早期諧波的衰減減少。

圖 2.三角調(diào)制展頻性能

?缺點(diǎn)?

為了避免拍頻的過(guò)度重疊,三角調(diào)制頻率 (fm) 必須足夠慢,才能確保每個(gè)上升和下降具有多個(gè)開關(guān)周期。但是,高頻 EMI 掃描花費(fèi)很少的時(shí)間來(lái)測(cè)量每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的EMI。緩慢的上升或下降可能會(huì)使得 EMI 掃描僅測(cè)量該上升/下降的一小部分,此情況下會(huì)顯示為展頻較少的發(fā)射,從而明顯降低 ?f_SW。對(duì)于分立式三角調(diào)制,緩慢升降是一個(gè)更大問(wèn)題;在此情況下,上升和下降實(shí)際上是階梯形式,每一步都會(huì)開關(guān)多次。

另一個(gè)缺點(diǎn)是輸出電壓和輸入電壓會(huì)在三角調(diào)制頻率下形成紋波。這是由兩個(gè)因素造成的。第一個(gè)因素來(lái)自電感器電流紋波的幅度調(diào)制。較低開關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生較大電感器電流紋波,反之亦然,因此會(huì)在三角調(diào)制頻率 f_m 下在輸入端產(chǎn)生電壓紋波。第二個(gè)因素是該調(diào)幅電感器電流與控制方案(通常是峰值或谷值電流模式控制)之間的相互作用。電感器電流幅度的變化將使電感器平均電流上下移動(dòng),從而在輸出電壓和輸入電壓上引起電壓紋波。此頻率也是 f_m 并且通常處于可聞范圍內(nèi),如果超低頻率噪聲與任何發(fā)聲電路(例如音頻放大器,甚至是安裝不良的印刷電路板上的陶瓷電容器)相互作用,就會(huì)產(chǎn)生可聽見(jiàn)的聲音。

二、假隨機(jī)調(diào)制法

假隨機(jī)調(diào)制法以假隨機(jī)方式(通過(guò)編程生成,但本質(zhì)為隨機(jī))上調(diào)和下調(diào) f_SW。一些實(shí)現(xiàn)方式會(huì)限制最大步長(zhǎng),以防止頻率跳得過(guò)遠(yuǎn)并在正常運(yùn)行中造成過(guò)多干擾。典型的展頻范圍是 ±3% 至 ±6%,并且頻率通常在每個(gè)開關(guān)周期都會(huì)變化。在圖 3 中,請(qǐng)注意,開關(guān)頻率在每個(gè)開關(guān)周期都會(huì)變化,因此波形的時(shí)間標(biāo)度以微秒為單位(不同于其他方案中以毫秒為單位)。

圖 3.假隨機(jī)調(diào)制展頻性能

?優(yōu)點(diǎn)?

請(qǐng)注意 f_SW 可在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大范圍變化,這有助于避免發(fā)生 EMI 掃描僅掃描一小部分展頻的問(wèn)題。這種大范圍跳躍會(huì)產(chǎn)生出色的高頻性能。超低頻率的 EMI 是隨機(jī)分布的,這說(shuō)明如果輸出和輸入上的 EMI 耦合到發(fā)聲電路中,則不會(huì)產(chǎn)生音調(diào)。EMI 仍然存在,但已展頻,與三角調(diào)制法產(chǎn)生的單音相比,此方法產(chǎn)生的白噪聲聲音更多。

?缺點(diǎn)?

根據(jù)頻率分布和實(shí)現(xiàn)方式,基頻(和早期諧波)能量分布不佳。與使用三角調(diào)制法相比,這種分散的能量會(huì)導(dǎo)致這些頻率下的發(fā)射頻率更劇烈且更高,并且無(wú)法顯著減小輸入 EMI 濾波器的尺寸并降低成本。另一個(gè)缺點(diǎn)是假隨機(jī)碼型的數(shù)字性質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致代碼重復(fù)。如果隨機(jī)發(fā)生器最終在多個(gè)周期內(nèi)以相同頻率進(jìn)行開關(guān),該時(shí)間內(nèi)的展頻看起來(lái)似乎處于關(guān)閉狀態(tài)。確保實(shí)現(xiàn)過(guò)程中沒(méi)有重復(fù)代碼、使用大量不同的步驟或?qū)崿F(xiàn)真正隨機(jī)的模擬步驟,以免形成展頻已關(guān)閉的感覺(jué)。

三、展頻與展頻相加

三角和假隨機(jī)方法能夠消除固有的開關(guān)峰值,但是存在非理想情況;前面討論過(guò)的調(diào)制會(huì)使某些峰值穿過(guò)或?qū)е缕渌肼暫头逯怠?/strong>展頻與展頻相加將有助于減少或消除這些有害的峰值和噪聲。

首先從三角調(diào)制法開始,但是將調(diào)制增加到三角調(diào)制。此種增加做法會(huì)導(dǎo)致三角頻率(f_m) 隨時(shí)間變化,從而將可聞噪聲尖峰從音調(diào)展頻到噪聲。在該波形頂部添加了一些假隨機(jī)調(diào)制(如圖 4 所示)。

圖 4.展頻與展頻相加性能

?優(yōu)點(diǎn)?

低頻可聞噪聲將從音調(diào)擴(kuò)展至來(lái)自調(diào)制三角和假隨機(jī)調(diào)制的噪聲?；l和早期諧波通過(guò)三角調(diào)制法均勻展頻,可減小輸入 EMI 濾波器的尺寸和成本。高頻諧波會(huì)因附加的假隨機(jī)調(diào)制而實(shí)現(xiàn)展頻。

?缺點(diǎn)?

此方法更復(fù)雜且更難實(shí)現(xiàn)。即使將低頻噪聲進(jìn)行展頻,它仍然存在并且會(huì)在發(fā)聲電路中引起噪聲(例如白噪聲)。

四、雙隨機(jī)展頻

雙隨機(jī)展頻同展頻與展頻相加完全相同,但有一個(gè)附加功能:低頻紋波消除功能。此方法在展頻調(diào)制器與峰值或谷值電流控制電路之間增加某種通信,從而搶先調(diào)整 值或谷值電流命令值,以便消除與展頻相關(guān)的噪聲(如圖 5 所示)。

圖 5.雙隨機(jī)展頻性能

?優(yōu)點(diǎn)?

此方法消除了超低頻輸出電壓紋波以及相關(guān)的輸入電壓紋波。此方法從輸出端消除可聞噪聲,并在輸入端使此類噪聲大大降低。

?缺點(diǎn)?

根據(jù)器件的不同,會(huì)需要一個(gè)電阻器以根據(jù)運(yùn)行條件調(diào)整消除效果

結(jié)論

展頻是一項(xiàng)出色的功能,能夠大大改善 EMI 結(jié)果,而對(duì)其他系統(tǒng)的運(yùn)行幾乎沒(méi)有影響。

本文介紹的四種方法各有利弊,但是隨著設(shè)計(jì)人員對(duì)展頻優(yōu)化的深入了解,技術(shù)也在不斷改進(jìn)。憑借這些知識(shí),就可按照特定的設(shè)計(jì)要求找到特定的方法,從而充分利用此展頻功能所帶來(lái)的各種優(yōu)勢(shì)。