扩频频率调制可降低EMI
作者：Kevin Scott and Greg Zimmer
电磁辐射 （EMR）、电磁干扰 （EMI） 和电磁合规性 （EMC） 是与带电粒子的能量以及可能干扰电路性能和信号传输的相关磁场相关的术语。随着无线通信的普及，通信设备的过多，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（某些频段重叠），电磁干扰已成为现实。为了减轻这种影响，许多政府机构和监管机构对通信设备、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，涉及无线电干扰和抗扰度测量装置和测量方法。
电磁干扰可以表征为传导（通过电源传输）或辐射（通过空气传输）。开关电源会产生这两种类型。凌力尔特为减少传导和辐射干扰而实施的一项技术是扩频频率调制 （SSFM）。这种技术用于我们的几种基于电感和电容器的开关电源、硅振荡器和LED驱动器，以将噪声传播到更宽的频段，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任何一个接收器频段停留相当长的时间来改善EMI。有效SSFM的关键决定因素是扩频量和调制速率。对于开关稳压器应用，通常±10%的扩展，最佳调制速率由调制曲线决定。SSFM使用各种频率扩展方法，例如用正弦波或三角波调制时钟频率。
调制方式
大多数开关稳压器的纹波与频率有关;在较低的开关频率下纹波更大，在较高的开关频率下纹波更少。因此，如果开关时钟经过频率调制，开关稳压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，则在调制频率处将存在周期性纹波调制和独特的频谱分量（图 1）。
图1.时钟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开关稳压器的时钟，因此可能难以滤除。这可能会导致问题，例如可听见音或可见的显示伪影，这是由于电源噪声耦合或下游电路中的电源抑制受限所致。伪随机频率调制可以避免这种周期性纹波。通过伪随机频率调制，时钟以伪随机方式从一个频率移动到另一个频率。由于开关稳压器的输出纹波由类似噪声的信号进行幅度调制，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。
调制量
随着SSFM频率范围的增加，带内时间的百分比会降低。在下面的图2中，请注意，与单个未调制窄带信号相比，调制频率显示为峰值低20dB的宽带信号。如果发射信号不经常且短时间（相对于其响应时间）进入接收器频段，则EMI会显着降低。例如，±10%的频率调制在降低EMI方面比±2%的频率调制更有效1.然而，开关稳压器可以容忍的频率范围有限。作为一般规则，大多数开关稳压器可以轻松承受±10%的频率变化。
图2.扩频调制产生更宽的时钟频段和更低的峰值能量
调制速率
与调制量类似，随着频率调制速率（跳频速率）的增加，给定接收器的EMI“带内”时间将减少，EMI将降低。但是，切换器可以跟踪的频率变化率（dF/dt）是有限制的。解决方案是找到不影响开关稳压器输出调节的最高调制速率。
测量电磁干扰
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，当发射扫过检测器的频带时，检测器会做出响应。当检波器的带宽与调制速率相比较小时，检波器的有限响应时间会导致EMI测量衰减。相比之下，检波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的改进直接对应于衰减量。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。具体来说，固定频率发射产生100%的占空比，而SSFM的占空比根据发射在探测器带内的时间量而降低。最后，平均检测测试可以显示出最显着的EMI改善，因为它以低通滤除峰值检测信号，从而产生带内能量的平均值。与平均能量和峰值能量相等的固定频率发射不同，SSFM会衰减峰值检测能量和带内时间量，从而降低平均检测结果。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，开关稳压器的峰值辐射在任何时刻都可能看起来相同。怎么可能？SSFM的有效性部分取决于接收器的带宽。接收发射的“瞬时快照”需要无限带宽。每个实际系统的带宽都是有限的。如果时钟频率的变化快于接收器的带宽，则接收干扰的减少将是显着的。
图3.开关稳压器输出频谱 （9kHz 分辨率带宽） 采用 LTC6908 启用和不启用 SSFM。
硅振荡器中的 SSFM
LTC®6909、LTC6902 和 LTC6908 是具有扩频调制功能的 8 路、4 路和 2 路输出、多相硅振荡器。 这些器件通常用于为开关电源提供时钟。多相操作可有效提高系统开关频率（因为相位表现为开关频率的增加），扩频调制使每个器件在一定频率范围内切换，从而将传导EMI分布到更宽的频带上。LTC6908 具有一个 5kHz 至 10MHz 的频率范围，提供了两个输出，并提供两种版本;LTC6908-1 具有两个输出，它们之间具有 180° 相移，而 LTC6908-2 具有两个输出，它们之间具有一个 90° 的相移。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路两相开关稳压器。四通道 LTC6902 具有一个 5kHz 至 20MHz 的频率范围，并可针对等间距的 2 相、3 相或 4 相进行编程。LTC6909 具有一个 12kHz 至 6.67MHz 的频率范围，并可针对多达 8 相进行编程。
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。使用这种技术，开关稳压器时钟以伪随机方式从一个频率转移到另一个频率2.频移速率或跳频率越高，开关稳压器在给定频率下工作的时间就越短，EMI在给定接收器间隔内“带内”的时间就越短。
但是，跳频速率是有限制的。如果跳频速率超出开关稳压器带宽，则时钟频率转换沿可能会出现输出尖峰。开关稳压器带宽越低，尖峰越明显。因此，LTC6908 和 LTC6909 包括一个专有的跟踪滤波器，用于平滑从一个频率到下一个频率的转换 （LTC6902 使用一个内部 25kHz 低通滤波器）。内部滤波器跟踪跳频速率，为所有频率和调制速率提供最佳平滑。
图4.伪随机调制说明了 LTC6908 / LTC6909 内部漏电起痕滤波器的影响
这种滤波调制信号对于许多逻辑系统来说可能是可以接受的，但必须仔细考虑周期间抖动问题。即使使用跟踪滤波器，给定稳压器的带宽可能仍不足以实现高频率调制。对于带宽限制，LTC6908 / LTC6909 跳频速率可从标称频率的 1/16 的默认速率降低到标称频率的 1/32 或 1/64 速率。
电源中的 SSFM
开关稳压器按周期工作，将功率传输到输出端。在大多数情况下，工作频率要么是固定的，要么是基于输出负载的恒定频率。这种转换方法在工作频率（基波）和工作频率（谐波）的倍数处产生较大的噪声分量。
LTM4608A 8A、2.7V 至 5.5V在带 SSFM 的直流/直流 μModule 降压稳压器
为了降低开关噪声，LTM4608A 能够采用通过将 CLKIN 引脚连接至 SV 而启用的扩频工作在（低功耗电路电源电压引脚）。在扩频模式下，LTM4608A 的内部振荡器设计用于产生一个时钟脉冲，该时钟脉冲的周期在逐周期的基础上是随机的，但固定在标称频率的 70% 至 130% 之间。这样做的好处是将开关噪声分散到一定频率范围内，从而显著降低峰值噪声。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所示为启用扩频操作的工作电路。必须在PLLLPF引脚至地放置一个0.01μF的电容值，以控制扩频频率变化的压摆率。分量值由公式 R 确定锶≥ 1 / −（ln（1− 0.592/V在）*500*C锶).
图5.LTM4608A 具有扩频启用功能
LT8609 具 SSFM 的 42V 输入、2A 同步降压型转换器
LT8609 是一款微功率、降压型转换器，可在高开关频率 （2MHz 时为 93%） 下保持高效率，因而允许更小的外部组件。SSFM模式的工作方式类似于脉冲跳跃模式操作，关键区别在于开关频率由3 kHz三角波上下调制。调制范围在低端由开关频率设置（而开关频率又由RT引脚上的电阻设置），在高端由比RT设置的频率高约20%的值设置。要启用扩频模式，请将 SYNC 引脚连接到 INTVCC 或将其驱动至 3.2V 至 5V 之间的电压。
LTC3251 / LTC3252 充电泵降压型稳压器 具 SSFM
LTC®3251 / LTC3252 是 2.7V 至 5.5V、单通道 500mA / 双通道 250mA 基于电荷泵的降压型稳压器，可产生一个时钟脉冲，其周期在逐周期的基础上是随机的，但固定在 1MHz 和 1.6MHz 之间。图 6 和图 7 显示了与传统降压型转换器相比，LTC3251 的扩频特性如何显著降低峰值谐波噪声，并几乎消除了谐波。扩频操作可由 LTC3251 选择，但始终由 LTC3252 使能。
图6.LTC3251 在禁用 SSFM 的情况下
图7.LTC3251 启用了 SSFM 功能
LT3795 具 SSFM 的 110V 多拓扑 LED 控制器
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可能很麻烦。为了改善 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，则会产生一个在1V和2V之间扫描的三角波。然后将该信号馈入内部振荡器，以在基频的70%和基频之间调制开关频率，基频由时钟频率设置电阻RT设置。调制频率由公式 12μA/（2 • 1V • C 设定坡道).图8和图9显示了传统升压开关转换器电路（RAMP引脚连接到GND）与扩频调制升压开关转换器（RAMP引脚为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测量结果对电容选择的RAMP频率很敏感。1kHz是优化峰值测量的良好起点，但可能需要对该值进行一些微调，以便在特定系统中获得最佳的整体EMI结果。
图8.LT3795 平均传导 EMI
图9.LT3795 峰值传导 EMI
LT3952 多拓扑 42V在， 60V/4A LED 驱动器，带 SSFM
LT®3952 是一款 60V/4A 电源开关、恒定电流、恒定电压多拓扑 LED 驱动器，具有可选的 SSFM。振荡器频率以伪随机方式从标称频率（f西 南部） 以 1% 的步长高于标称值 31%。这种单向调整使得 LT3952 只需对略高于该频带的标称频率进行编程，即可避开系统中的敏感频带 （例如 AM 无线电频谱）。比例步长允许用户轻松确定其指定EMI测试箱大小的时钟频率值（RT引脚），伪随机方法根据频率变化本身提供音调抑制。
伪随机值与振荡器频率成比例更新，速率为 f西 南部/32.该速率允许在标准EMI测试停留时间内多次通过整组频率。
图10.LT3952 平均传导 EMI
凌力尔特还有许多其他产品，可以有效地使用设计技术来降低EMI。如前所述，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。另一项新技术是使用我们的静音切换器完成的™技术，利用布局有效降低EMI。LT®8640 是一款独特的 42V 输入、微功率、同步降压型开关稳压器，它结合了静音开关技术和 SSFM 以降低 EMI。因此，下次 EMI 在您的设计中出现问题时，请务必寻找我们的低 EMI 产品，让您更容易符合 EMI 标准。
审核编辑：郭婷
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