開關(guān)穩(wěn)壓器的EMI設(shè)計(jì)

隨著人們對(duì)能量效率要求的提高，越來(lái)越多產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)開始采用開關(guān)穩(wěn)壓器以取代線性穩(wěn)壓器。使用多個(gè)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(jiǎn)單、最具成本效益的方法之一就是采用多相、擴(kuò)頻時(shí)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(gè)外部時(shí)鐘來(lái)控制，而這個(gè)外部時(shí)鐘又決定了所產(chǎn)生EMI的基本頻率。利用這個(gè)特點(diǎn)可以將EMI設(shè)定在一個(gè)敏感頻段之外，而且，當(dāng)同時(shí)運(yùn)作多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，這是一個(gè)極為有用的特點(diǎn)。當(dāng)時(shí)鐘頻率彼此靠近并引起拍頻情況時(shí)，多個(gè)獨(dú)立運(yùn)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(gè)穩(wěn)壓器依靠單個(gè)時(shí)鐘來(lái)運(yùn)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(shí)鐘頻率、不同的相位來(lái)驅(qū)動(dòng)每個(gè)穩(wěn)壓器。

多相同步指的是以單一時(shí)鐘頻率對(duì)多個(gè)開關(guān)電源進(jìn)行外部驅(qū)動(dòng)的方法，該方法在每個(gè)穩(wěn)壓器之間設(shè)置了一個(gè)時(shí)移。通過(guò)使每個(gè)開關(guān)電源錯(cuò)開接通（這樣一來(lái)，目前吸收輸入電流的工作相位先前則是一個(gè)死區(qū)），峰值開關(guān)電流得以減小。因此，使多個(gè)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(jiǎn)化了降低EMI的任務(wù)，因?yàn)闉V波處理方式在較高的頻率條件下更加有效

圖1：采用擴(kuò)頻調(diào)制，可提供1至8個(gè)輸出的多相硅振蕩器LTC6909。

擴(kuò)頻調(diào)頻（SSFM）及接收器

除了多相同步之外，還可以通過(guò)連續(xù)改變開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)鐘的頻率來(lái)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(guò)長(zhǎng)的時(shí)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(gè)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(kuò)展量和調(diào)制速率。

在考慮EMI時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)受EMI影響的接收器帶寬有所了解。這些接收器可能是實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)備，也有可能是用于實(shí)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(gè)重要的特性：接收器將會(huì)做出響應(yīng)的頻率范圍以及在遭受EMI時(shí)接收器的響應(yīng)時(shí)間。

調(diào)制方法

大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器都會(huì)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(duì)開關(guān)時(shí)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(shí)鐘的調(diào)制信號(hào)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(gè)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(shí)鐘頻率，因此可能難以濾除。因?yàn)橄掠坞娐分械碾娫丛肼曬詈匣蛴邢薜碾娫匆种疲@有可能引發(fā)問(wèn)題，例如：可聽(tīng)音或明顯的偽像。偽隨機(jī)頻率調(diào)制能夠消除這種周期性紋波。當(dāng)采用偽隨機(jī)頻率調(diào)制時(shí)，時(shí)鐘將以一種偽隨機(jī)的方式從一個(gè)頻率轉(zhuǎn)移至另一個(gè)頻率。由于開關(guān)電源的輸出紋波由一個(gè)類噪聲信號(hào)施以幅度調(diào)制，因此輸出看似沒(méi)有進(jìn)行調(diào)制，而且下游系統(tǒng)的影響可忽略不計(jì)。

圖2：LTC6909的偽隨機(jī)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(shí)，帶內(nèi)時(shí)間的百分比減少。如果發(fā)射信號(hào)偶爾進(jìn)入接收器的頻段而且停留的時(shí)間很短（相對(duì)于其響應(yīng)時(shí)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(lái)說(shuō)，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(duì)于某個(gè)給定的接收器，當(dāng)頻率調(diào)制的速率增加時(shí)，EMI處于“帶內(nèi)”的時(shí)間將減少，EMI將降低，這一點(diǎn)與調(diào)制量很相似。不過(guò)，對(duì)開關(guān)電源所能跟蹤的頻率變化速率（dF/dt）有一個(gè)限值。相應(yīng)的解決方案是找出那個(gè)不會(huì)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(kuò)頻開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)鐘提供了一個(gè)理想的平臺(tái)。除了具有一個(gè)板上時(shí)鐘發(fā)生器之外，這些固態(tài)器件還能將擴(kuò)頻調(diào)制與多相輸出組合起來(lái)。考慮到這一點(diǎn)，凌力爾特公司開發(fā)出了LTC6909（圖1），這是一款具有8個(gè)單獨(dú)多相輸出的精準(zhǔn)擴(kuò)頻硅振蕩器。單個(gè)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(gè)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(gè)相位提供同步?？梢詥⒂靡环N偽隨機(jī)擴(kuò)頻調(diào)頻，頻率擴(kuò)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(guò)穩(wěn)壓器的帶寬。此外，LTC6909還具有一個(gè)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(gè)系統(tǒng)中使用多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)產(chǎn)生重大的EMI問(wèn)題。除了標(biāo)準(zhǔn)的布局、濾波和屏蔽等習(xí)慣做法之外，運(yùn)用多相同步和擴(kuò)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(jiǎn)單明了的解決方案。幾乎不費(fèi)吹灰之力，這款小巧、低功率和堅(jiān)固的硅振蕩器就能夠輕而易舉地證明其價(jià)值。