扩频调频可降低EMI

电磁辐射(EMR),电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)是关于来自带电粒子的能量以及可能潜在地干扰电路性能和信号传输的相关磁场的术语。随着无线通信的激增,过多的通信设备,以及越来越多的通信方法(包括蜂窝,WiFi,卫星,GPS等)使用越来越多的频谱(有些频段重叠),电磁干扰是生活中的事实。为了减轻这种影响,许多政府机构和监管组织对通信设备,设备和仪器可以发出的辐射量设定了限制。这种规范的一个例子,CISPR 16-1-3,
电磁干扰的特征可以是传导(通过电源传输)或辐射(通过空气传输)。开关电源产生两种类型。凌力尔特公司实施的一项减少传导和辐射干扰的技术是扩频调频(SSFM)。这种技术用于我们的几种基于电感器和电容器的开关电源,硅振荡器和LED驱动器,以在更宽的频带上扩展噪声,从而降低特定频率下的峰值和平均噪声。
SSFM通过不允许发射的能量在相当长的时间内停留在任何一个接收器频带中来改善EMI。有效SSFM的关键决定因素是频率扩展量和调制速率。对于切换器应用,典型的扩展为±10%,最佳调制速率取决于调制配置文件。各种频率扩展方法用于SSFM,例如用正弦波或三角波调制时钟频率。 
调制方法
大多数开关稳压器都表现出与频率相关的纹波; 开关频率越低,纹波越多,开关频率越高。结果,如果切换时钟是频率调制的,则切换器的纹波将表现出幅度调制。如果时钟的调制信号是周期性的,例如正弦波或三角波,则在调制频率处会有周期性的纹波调制和不同的频谱分量(图1)。
 
 
 
输出纹波由正弦波调制
图1.由于时钟的正弦频率调制引起的开关稳压器纹波图示
由于调制频率远低于切换器的时钟,因此可能难以滤除。由于下游电路中的电源噪声耦合或有限的电源抑制,这可能导致诸如可听音调或可见显示伪像之类的问题。伪随机频率调制可以避免这种周期性纹波。利用伪随机频率调制,时钟以伪随机方式从一个频率移位到另一个频率。由于切换器的输出纹波由类噪声信号进行幅度调制,因此输出看起来好像没有调制,下游系统的影响可以忽略不计。
调制金额
随着SSFM频率范围的增加,带内时间的百分比降低。在下面的图2中,请注意与单个未调制的窄带信号相比,调制频率如何显示为宽带信号,峰值值低20dB。如果发射信号不频繁地进入接收器的频带并且短时间(相对于其响应时间),则发生显着的EMI降低。例如,±10%的频率调制在EMI降低方面比±2%1的频率调制更有效。然而,开关调节器具有它们可以容忍的有限频率范围。作为一般规则,大多数开关稳压器可以轻松容忍±10%的频率变化。 
 
 
 
具有和不具有SSFM的输出频谱
图2.具有较低峰值能量的较宽时钟频带中的扩频调制结果
调制率
与调制量类似,随着频率调制速率的增加(跳频),对于给定的接收器,EMI将在“带内”的时间将减少并且EMI将减小。但是,切换器可以跟踪的频率变化率(dF / dt)存在限制。解决方案是找到不影响切换器输出调节的最高调制速率。
测量EMI
测量EMI的典型方法称为峰值检测,准峰值检测或平均检测。对于这些测试,测试设备的带宽被适当地设置以反映感兴趣的真实世界带宽并确定SSFM的有效性。当频率调制时,探测器会响应发射器扫过探测器的频段。当探测器的带宽与调制速率相比较小时,探测器的有限响应时间会导致衰减的EMI测量。相反,探测器的响应时间不会影响固定频率发射,也不会观察到EMI衰减。峰值检测测试显示SSFM的改善直接对应于衰减量。准峰值检测测试可以显示进一步的EMI改善,因为它包括占空比的影响。具体而言,固定频率发射产生100%的占空比,而来自SSFM的占空比根据发射在检测器频带内的时间量减少。最后,平均检测测试可以显示最显着的EMI改善,因为它以低通过滤峰检测信号,从而产生带内平均能量。与平均和峰值能量相等的固定频率发射不同,SSFM衰减峰值检测能量和带内时间量,从而导致较低的平均检测结果。许多监管测试要求系统通过准峰值和平均检测测试。固定频率发射产生100%的占空比,而SSFM的占空比根据发射在检测器频带内的时间量减少。最后,平均检测测试可以显示最显着的EMI改善,因为它以低通过滤峰检测信号,从而产生带内平均能量。与平均和峰值能量相等的固定频率发射不同,SSFM衰减峰值检测能量和带内时间量,从而导致较低的平均检测结果。许多监管测试要求系统通过准峰值和平均检测测试。固定频率发射产生100%的占空比,而SSFM的占空比根据发射在检测器频带内的时间量减少。最后,平均检测测试可以显示最显着的EMI改善,因为它以低通过滤峰检测信号,从而产生带内平均能量。与平均和峰值能量相等的固定频率发射不同,SSFM衰减峰值检测能量和带内时间量,从而导致较低的平均检测结果。许多监管测试要求系统通过准峰值和平均检测测试。平均检测测试可以显示最显着的EMI改善,因为它以低通过滤峰检测信号,从而产生平均带内能量。与平均和峰值能量相等的固定频率发射不同,SSFM衰减峰值检测能量和带内时间量,从而导致较低的平均检测结果。许多监管测试要求系统通过准峰值和平均检测测试。平均检测测试可以显示最显着的EMI改善,因为它以低通过滤峰检测信号,从而产生平均带内能量。与平均和峰值能量相等的固定频率发射不同,SSFM衰减峰值检测能量和带内时间量,从而导致较低的平均检测结果。许多监管测试要求系统通过准峰值和平均检测测试。
SSFM和接收器带宽
无论是否启用SSFM,在任何时刻,开关稳压器的峰值发射可能看起来都是相同的。怎么可能?SSFM的有效性部分取决于接收器的带宽。要获得排放的“瞬时快照”,需要无限带宽。每个实际系统都有有限的带宽。如果时钟频率变化快于接收器的带宽,则接收干扰的减少将是显着的。
 
 
 
LTC6908 SSFM
图3.开关稳压器输出频谱(9kHz分辨率带宽)使用带有和不带SSFM的LTC6908。
硅振荡器中的SSFM
该LTC6909,LTC6902  和LTC6908 是具有扩频调制的八相,四相和二输出多相硅振荡器。这些器件通常用于为开关电源提供时钟。多相操作有效地增加了系统切换频率(因为相位表现为开关频率的增加),并且扩频调制使得每个设备在一定频率范围内切换,从而在更宽的频带上扩展传导EMI。LTC6908具有5kHz至10MHz的频率范围,提供两个输出,并提供两种版本; LTC6908-1有两个输出,它们之间有180°相移,LTC6908-2有两个输出,它们之间有90°相移。前者非常适合同步两个单开关稳压器,后者非常适合同步两个双相,两相开关稳压器。四通道LTC6902具有5kHz至20MHz的频率范围,可以编程为等间距的2相,3相或4相。LTC6909具有12kHz至6.67MHz的频率范围,可编程多达8个相位。 
为了解决上述周期性纹波,这些硅振荡器使用伪随机频率调制。使用该技术,开关调节器时钟以伪随机方式2从一个频率移位到另一个频率。频率偏移率或跳频率越高,切换器在给定频率下操作的时间越短,并且对于给定的接收器间隔,EMI将在“带内”的时间越短。
但是,跳频率有一个限制。如果频率以超出开关稳压器带宽的速率跳变,则输出尖峰可能在时钟频率转换沿发生。较低的切换器带宽会导致更明显的尖峰。因此,LTC6908和LTC6909包含一个专有的跟踪滤波器,可以平滑从一个频率到下一个频率的转换(LTC6902使用内部25kHz低通滤波器)。内部滤波器跟踪跳频率,为所有频率和调制速率提供最佳平滑。 
 
 
 
LTC690x SSFM跟踪滤波器
图4.伪随机调制说明LTC6908 / LTC6909内部跟踪滤波器的影响
对于许多逻辑系统,这种滤波的调制信号可能是可接受的,但必须仔细考虑周期到周期的抖动问题。即使使用跟踪滤波器,给定调节器的带宽仍可能不足以实现高速率的频率调制。对于带宽限制,LTC6908 / LTC6909的跳频速率可以从标称频率的1/16的默认速率降低到标称频率的1/32或1/64。 
电源中的SSFM
开关稳压器在逐个周期的基础上工作,以将功率传输到输出。在大多数情况下,操作频率要么是固定的,要么是基于输出负载的常数。这种转换方法在工作频率(基波)和工作频率(谐波)的倍数下产生大的噪声分量。
LTM4608A具有SSFM的8A,2.7V至5.5V IN  DC /DCμModule降压稳压器
为降低开关噪声,LTM4608A  可以通过将CLKIN引脚连接到SV IN来实现扩频功能(低功率电路电源引脚)。在扩频模式下,LTM4608A的内部振荡器设计用于产生时钟脉冲,其周期在逐个周期的基础上是随机的,但固定在标称频率的70%和130%之间。这有利于在一定频率范围内扩展开关噪声,从而显着降低峰值噪声。如果CLKIN接地或由外部频率同步信号驱动,则禁用扩频操作。图5显示了启用扩频操作的操作电路。必须将一个0.01μF的电容值从PLLLPF引脚接地,以控制扩频频率变化的压摆率。成分值从等式R确定SR ≥1 / - (LN(1- 0.592 / V IN)* 500 * C SR)。 
 
 
 
LTM4608A 2.7V至5.5VIN,1.2VOUT设计用于扩频操作
图5.启用了扩频的LTM4608A
LT8609具有SSFM的42V输入,2A同步降压转换器
的LT8609  是一个微功耗,降压转换器维持在高开关频率高效率(频率为2MHz 93%),从而允许更小的外部元件。SSFM模式的操作类似于脉冲跳跃模式操作,其关键区别在于开关频率由3 kHz三角波上下调制。调制范围通过开关频率设置在低端(开关频率由RT引脚上的电阻设置),在高电平时设置的值比RT设置的频率高约20%。要启用扩频模式,请将SYNC引脚连接到INTVCC或将其驱动至3.2V和5V之间的电压。
LTC3251 / LTC3252带SSFM的电荷泵降压稳压器
的LTC3251 / LTC3252  是2.7V至5.5V,单500毫安/双基于电荷泵的250毫安降压产生一个时钟脉冲,其周期是一个逐周期的基础上随机的,但1MHz固定和1.6MHz的之间调节。图6和图7显示了与传统降压转换器相比,LTC3251的扩频特性如何显着降低峰值谐波噪声并实际上消除了谐波。扩频操作可通过LTC3251选择,但始终通过LTC3252使能。
 
 
 
具有10μF输入电容的常规降压转换器输入噪声频谱(IO = 500mA)
图6.禁用SSFM的LTC3251
 
 
 
LTC3251输入噪声频谱,带1μF输入电容(IO = 500mA)
图7.启用了SSFM的LTC3251
LED驱动器中的SSFM
LT3795 110V多拓扑LED控制器,带SSFM
开关稳压器LED驱动器对于涉及EMI的汽车和显示器照明应用也是麻烦的。为了提高EMI性能,LT3795 110V多拓扑 LED驱动器控制器包括SSFM。如果RAMP引脚上有一个电容,则会产生一个介于1V和2V之间的三角波。然后将该信号馈入内部振荡器,以调制基频的70%和基频之间的开关频率,基频由时钟频率设定电阻RT设定。调制频率由公式12μA/(2•1V•C RAMP)设置)。图8和图9显示了传统升压开关转换器电路(连接到GND的RAMP引脚)和扩频调制使能升压开关转换器(RAMP引脚上为6.8nF)之间的噪声频谱比较。图8显示了平均传导EMI,图9显示了峰值传导EMI。EMI测量的结果对用电容器选择的RAMP频率敏感。1kHz是优化峰值测量的良好起点,但是为了在特定系统中获得最佳的整体EMI结果,可能需要对该值进行一些微调。 
 
 
 
3795平均传导EMI
图8. LT3795平均传导EMI
 
 
 
3795峰值传导EMI
图9. LT3795峰值传导EMI
LT3952具有SSFM的多拓扑42V IN,60V / 4A LED驱动器
的LT3952  是一个60V / 4A电源开关,恒定电流,恒定电压multitopology LED驱动器,提供可选的SSFM。振荡器频率以伪随机方式从标称频率(f SW)变化到高于标称值的31%,步长为1%。这种单向调整允许LT3952简单地通过将标称频率编程在其上方而避免系统中的敏感频带(例如AM无线电频谱)。比例步长允许用户容易地确定其指定的EMI测试箱大小的时钟频率值(RT引脚),并且伪随机方法从频率变化本身提供音调抑制。
使用f SW / 32 的速率,与振荡器频率成比例地更新伪随机值。该速率允许在标准EMI测试停留时间内多次通过整组频率。
 
 
 
3952 Avg传导EMI
图10. LT3952平均传导EMI
凌力尔特公司还有许多其他产品可以有效地利用设计技术来降低EMI。如上所述,使用SSFM是一种技术。其他方法包括减慢快速内部时钟边沿和内部滤波。使用我们的Silent Switcher ™技术实现了另一项新技术,该技术使用布局有效降低EMI。的LT8640  是一个独特的42V输入,微,同步降压型开关稳压器,它结合无声切换技术和SSFM以减少EMI。因此,下一次EMI是您设计中的一个问题时,请务必寻找我们的低EMI产品,使您更容易符合EMI标准。
笔记:
1.±2%SSFM对于微处理器和数据时钟是常见的,因为它们不能容忍大的频率变化。
2.完整伪随机序列的重复率保证小于20Hz。

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