- 探究開關(guān)穩(wěn)壓器的EMI設(shè)計
- 分析EMI設(shè)計理想的解決方案
- 運用多相同步和擴頻調(diào)頻改善EMI性能
- LTC6909提供了一種簡單明了的解決方案
隨著人們對能量效率要求的提高，越來越多產(chǎn)品在設(shè)計時開始采用開關(guān)穩(wěn)壓器以取代線性穩(wěn)壓器。使用多個開關(guān)穩(wěn)壓器的電源系統(tǒng)日漸普及，而伴隨著穩(wěn)壓器數(shù)目的增加，電磁干擾（EMI）的影響也在加劇。為降低EMI，最簡單、最具成本效益的方法之一就是采用多相、擴頻時鐘。
多相同步
大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器的工作頻率都可利用一個外部時鐘來控制，而這個外部時鐘又決定了所產(chǎn)生EMI的基本頻率。利用這個特點可以將EMI設(shè)定在一個敏感頻段之外，而且，當(dāng)同時運作多個開關(guān)穩(wěn)壓器時，這是一個極為有用的特點。當(dāng)時鐘頻率彼此靠近并引起拍頻情況時，多個獨立運行的開關(guān)穩(wěn)壓器有可能產(chǎn)生很大的峰值EMI。同樣，如果多個穩(wěn)壓器依靠單個時鐘來運作，則EMI將被同步，并因此而變得非常集中。一種解決方案是以相同的時鐘頻率、不同的相位來驅(qū)動每個穩(wěn)壓器。
多相同步指的是以單一時鐘頻率對多個開關(guān)電源進(jìn)行外部驅(qū)動的方法，該方法在每個穩(wěn)壓器之間設(shè)置了一個時移。通過使每個開關(guān)電源錯開接通（這樣一來，目前吸收輸入電流的工作相位先前則是一個死區(qū)），峰值開關(guān)電流得以減小。因此，使多個開關(guān)穩(wěn)壓器“異相”（而不是“同相”）同步可以減小峰值電流，從而降低EMI。
此外，相位同步將導(dǎo)致產(chǎn)生的EMI頻率提高。這簡化了降低EMI的任務(wù)，因為濾波處理方式在較高的頻率條件下更加有效。
圖1：采用擴頻調(diào)制，可提供1至8個輸出的多相硅振蕩器LTC6909。
擴頻調(diào)頻（SSFM）及接收器
除了多相同步之外，還可以通過連續(xù)改變開關(guān)穩(wěn)壓器時鐘的頻率來改善EMI。這種被稱為SSFM的技術(shù)不允許發(fā)射能量在任何接收器的頻段中停留過長的時間，從而改善了EMI。為了最大限度地發(fā)揮SSFM的效用，主要有4個必需考慮的因素：受影響接收器的帶寬、頻率調(diào)制的方法、頻率擴展量和調(diào)制速率。
在考慮EMI時，設(shè)計師應(yīng)對受EMI影響的接收器帶寬有所了解。這些接收器可能是實際的系統(tǒng)設(shè)備，也有可能是用于實現(xiàn)與CISPR 16-1監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)之相符性的接收器。接收器的帶寬決定了兩個重要的特性：接收器將會做出響應(yīng)的頻率范圍以及在遭受EMI時接收器的響應(yīng)時間。
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調(diào)制方法
大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器都會呈現(xiàn)隨頻率而變化的紋波；在較低的開關(guān)頻率下紋波較多，而在較高的開關(guān)頻率下則紋波較少。因此，如果對開關(guān)時鐘進(jìn)行頻率調(diào)制，則開關(guān)電源的紋波將呈現(xiàn)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），則將進(jìn)行周期性的紋波調(diào)制，而且在調(diào)制頻率上存在一個明顯的頻譜分量。由于調(diào)制頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開關(guān)電源的時鐘頻率，因此可能難以濾除。因為下游電路中的電源噪聲耦合或有限的電源抑制，這有可能引發(fā)問題，例如：可聽音或明顯的偽像。偽隨機頻率調(diào)制能夠消除這種周期性紋波。當(dāng)采用偽隨機頻率調(diào)制時，時鐘將以一種偽隨機的方式從一個頻率轉(zhuǎn)移至另一個頻率。由于開關(guān)電源的輸出紋波由一個類噪聲信號施以幅度調(diào)制，因此輸出看似沒有進(jìn)行調(diào)制，而且下游系統(tǒng)的影響可忽略不計。
圖2：LTC6909的偽隨機調(diào)制和內(nèi)部跟蹤濾波器。
調(diào)制量和調(diào)制速率
當(dāng)SSFM頻率的范圍增加時，帶內(nèi)時間的百分比減少。如果發(fā)射信號偶爾進(jìn)入接收器的頻段而且停留的時間很短（相對于其響應(yīng)時間），則可以顯著地降低EMI。例如：在降低EMI方面，±10%的頻率調(diào)制將比±2%的頻率調(diào)制有效得多。然而，開關(guān)穩(wěn)壓器所能容許的頻率范圍是有限的。一般來說，大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器都能很容易地承受±10%的頻率變化。
對于某個給定的接收器，當(dāng)頻率調(diào)制的速率增加時，EMI處于“帶內(nèi)”的時間將減少，EMI將降低，這一點與調(diào)制量很相似。不過，對開關(guān)電源所能跟蹤的頻率變化速率（dF/dt）有一個限值。相應(yīng)的解決方案是找出那個不會影響開關(guān)電源輸出調(diào)節(jié)性能的最高調(diào)制速率。
理想的解決方案
硅振蕩器為多相、擴頻開關(guān)穩(wěn)壓器時鐘提供了一個理想的平臺。除了具有一個板上時鐘發(fā)生器之外，這些固態(tài)器件還能將擴頻調(diào)制與多相輸出組合起來。考慮到這一點，凌力爾特公司開發(fā)出了LTC6909（圖1），這是一款具有8個單獨多相輸出的精準(zhǔn)擴頻硅振蕩器。單個電阻器負(fù)責(zé)在12.5kHz至 6.67MHz的范圍內(nèi)選擇輸出頻率。三個邏輯輸入用于設(shè)定輸出相位關(guān)系（范圍從45°至120°），從而允許LTC6909為多達(dá)8個相位提供同步。可以啟用一種偽隨機擴頻調(diào)頻，頻率擴展量在中心頻率的±10%。用戶可選擇3種調(diào)制速率之一，以確保調(diào)制速率不超過穩(wěn)壓器的帶寬。此外，LTC6909還具有一個創(chuàng)新的濾波器，該濾波器負(fù)責(zé)跟蹤SSFM調(diào)制速率并在頻率轉(zhuǎn)換之間提供平滑處理。
圖3：LTC6909啟用SSFM以改善EMI。
本文小結(jié)
在單個系統(tǒng)中使用多個開關(guān)穩(wěn)壓器會產(chǎn)生重大的EMI問題。除了標(biāo)準(zhǔn)的布局、濾波和屏蔽等習(xí)慣做法之外，運用多相同步和擴頻調(diào)頻也能夠大幅地改善 EMI性能。凌力爾特的LTC6909提供了一種簡單明了的解決方案。幾乎不費吹灰之力，這款小巧、低功率和堅固的硅振蕩器就能夠輕而易舉地證明其價值。
