采用頻率抖動(dòng)技術(shù)減小EMI

摘要：介紹了應(yīng)用于開關(guān)電源芯片TOPGX中的頻率抖動(dòng)技術(shù)。并依照電磁干擾的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)分析了頻率抖動(dòng)技術(shù)的工作原理。給出了通過在芯片PWM控制電路中使用頻率調(diào)整環(huán)節(jié)來減小開關(guān)電源的電磁干擾的新方法。并與其它抑制電磁干擾的方法進(jìn)行了比較，從而為抑制開關(guān)電源的電磁干擾提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：頻率抖動(dòng) 電磁干擾 諧波能量

1 概述

由于采用脈寬調(diào)制（PWM）控制方式的開關(guān)電源的開關(guān)頻率不斷提高，使其高頻開關(guān)波形中的大量諧波成分通過傳輸線和空間電磁場(chǎng)向外傳播，從而造成了不可忽視的傳導(dǎo)和輻射干擾問題。

隨著通訊及控制技術(shù)的發(fā)展，各種高頻數(shù)字電路對(duì)開關(guān)電源電磁兼容性（EMC）的要求更加嚴(yán)格，如何減小電磁干擾（EMI）成為開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。與常用的抗干擾技術(shù)相比，頻率抖動(dòng)技術(shù)（Frequency Jitter）是一種從分散諧波干擾能量著手解決EMI問題的新方法。

頻率抖動(dòng)技術(shù)是指開關(guān)電源的工作頻率并非固定不變，而是周期性地變化來減小電磁干擾的一種方法。以下以TOPGX功率集成芯片為例，結(jié)合電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理和測(cè)量方法來說明頻率抖動(dòng)技術(shù)的工作原理及作用。

2 頻率抖動(dòng)技術(shù)

TOPGX系列芯片是一種內(nèi)含PWM控制電路和MOSFET的功率芯片，工作頻率為132kHz，可周期性地以132kHz為中心頻率上下變動(dòng)4kHz。能在4ms周期（頻率為250Hz）內(nèi)完成一次從128kHz至136kHz之間的頻率抖動(dòng)。

筆者在采用相同的外圍電路和初級(jí)峰值電流的情況下，對(duì)應(yīng)用頻率抖動(dòng)技術(shù)和未采用頻率抖動(dòng)技術(shù)的電源準(zhǔn)峰值（QP）和平均值（AV）進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未采用頻率抖動(dòng)技術(shù)時(shí)，各次諧波較窄而且離散，幅值在諧波頻率處較高；而采用頻率抖動(dòng)技術(shù)時(shí)的諧波幅值明顯降低，并且變得平滑，高次諧波接近連接響應(yīng)?？梢悦黠@看出減小EMI的效果十分顯著。為了分析頻率抖動(dòng)技術(shù)的工作原理，下面先解釋一下EMI的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)量原理。

2.1 電磁干擾測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及原理

目前，國際無線電干擾特別委員會(huì)（CISPR）為美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）分別制定的CISPR22和FCC標(biāo)準(zhǔn)已分別在歐洲和北美使用。歐洲的EN55022標(biāo)準(zhǔn)等同于CISPR22標(biāo)準(zhǔn)。A級(jí)為工業(yè)級(jí)，B級(jí)為民用線，B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)比A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。其中150kHz～30MHz為傳導(dǎo)測(cè)量范圍，30MHz～1GHz為輻射測(cè)量范圍。

測(cè)量電磁干擾的原理是用干擾分析儀將噪聲信號(hào)中的頻率分量以一定的通頻帶選擇出來，并予以顯示和記錄，當(dāng)連續(xù)改變?cè)O(shè)定頻率時(shí)就能得到噪聲信號(hào)的頻譜。干擾分析儀以9kHz頻寬掃描整個(gè)頻帶，測(cè)量出噪聲信號(hào)的準(zhǔn)峰值和平均值，圖1所示是9kHz掃描時(shí)的準(zhǔn)峰值和平均值曲線。

2.2 頻率抖動(dòng)技術(shù)工作原理

對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行諧波分析，可得出諧波波形中各次諧波的幅值和相角。在電磁兼容性技術(shù)中，人們所關(guān)心的只是將噪聲幅值限制在規(guī)定的限度內(nèi)。各次諧波幅值隨頻率的分布稱為幅密度頻譜。在頻率f1處，頻帶度為Δf的諧波幅度為F（f1）Δf，如圖2所示。

周期干擾信號(hào)的頻譜為離散型，各譜線高度為二次諧波、三次諧波……的幅值，譜線間的距離為基波頻率的整數(shù)倍。采用頻率抖動(dòng)技術(shù)后，基波頻率變化幅值為±4kHz，二次諧波為±8kHz……，n次諧波為±4nkHz（如圖3所示）。因此可以看出：諧波次數(shù)越高，頻率分散越大。這樣，噪聲諧頻率的分散使各次諧波在f1處能量的疊加降低，從而使噪聲能量得以分散和減小，這樣，就在整個(gè)頻帶上保證了幅值裕量，滿足了電磁兼容性的要求。

采用頻率抖動(dòng)技術(shù)后，其噪聲信號(hào)的準(zhǔn)峰值（QP）隨頻率增加的變動(dòng)不大，約下降2dB，而噪聲信號(hào)的平均值（AV）則隨著頻率的增加而下降得十分明顯。所以頻率抖動(dòng)技術(shù)在高頻段效果更為顯著，圖4給出了噪聲衰減與開關(guān)諧波的關(guān)系曲線。另外，需要指出的是：實(shí)現(xiàn)頻率抖動(dòng)技術(shù)需要為PWM發(fā)生器中的振蕩器設(shè)置頻率調(diào)整環(huán)節(jié)。

3 頻率抖動(dòng)技術(shù)與其它方法的比較

頻率抖動(dòng)技術(shù)較之于其它方法具有更突出的優(yōu)點(diǎn)。由于形成開關(guān)電源電磁干擾的三個(gè)條件是干擾源、耦合途徑和受擾設(shè)備。因此常用的抑制電磁干擾方法有以下幾種：

（1）采用濾波元件，如共模電感、X1和Y1電容，X1電容用于輸入線間濾波，Y1電容在電路發(fā)生故障時(shí)只會(huì)斷路而不會(huì)短路，因此常用于初次級(jí)電路；

（2）在變壓器內(nèi)部加屏蔽繞組，外包屏蔽銅帶，跨將磁芯接地；

（3）在高頻開關(guān)（MOSFET和次級(jí)整流二極管）上加Sunbber電路，以減小dv/dt和di/dt；

（4）通過完善PCB設(shè)計(jì)來減小高頻電流回路的面積，對(duì)高頻元件采用Kelvin接法等。

這些方法可以有效地抑制電磁干擾，但每種方法都有其局限性，采用共模電感、X1和Y1電容的方法將受到體積、成本的制約；變壓器抗干擾技術(shù)要增加變壓器的繞制難度，絕緣也要十分小心；高頻開關(guān)上加Snubber電路會(huì)降低電源的效率，并增加高頻開關(guān)的損耗；而PCB設(shè)計(jì)需要豐富的經(jīng)驗(yàn)，并要考慮到方便產(chǎn)品制造（如機(jī)插元件要求水平布置等）。相比之下，頻率抖動(dòng)技術(shù)采用功率半導(dǎo)體集成芯片的內(nèi)部電路來改善EMI，高效且可靠，使用中不依靠電源設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，無需增加體積并能節(jié)省外圍元件的成本，也不會(huì)對(duì)電源的效率帶來任何負(fù)面影響，更不會(huì)給電源產(chǎn)品的制造增加任何不便。

4 總結(jié)

頻率抖動(dòng)技術(shù)是一種通過改善控制技術(shù)來優(yōu)化性能的新方法，該方法首先在高頻數(shù)字電路中開始使用，現(xiàn)在已被集成開關(guān)電源芯片所采用而大量應(yīng)用于小功率開關(guān)電源產(chǎn)品中，從而為抑制開關(guān)電源的電源干擾提供了一種新的思路。