引言

在功率轉換器和其他器件中,展頻功能將窄帶信號轉換為寬帶信號,同時維持器件功能不變。通過將諧波峰值轉換為平滑的響應以及諧波能量的相互混合,可減少器件及相關系統的電磁干擾 (EMI) 結果,從而改善運行狀況。展頻可將峰值和平均 EMI 掃描的峰值包絡降低多達10dBμV,這使得設計人員能夠選擇尺寸更小、成本更低的輸入 EMI 濾波器。

第一個問題是,降壓轉換器中的 EMI 來自哪里?降壓轉換器的開關節點在連接到輸入電壓 (V_IN) 與連接到接地端 (GND) 之間進行高頻切換時,降壓轉換器將轉換功率。占空比將開關節點上的平均電壓設置為等于所選的輸出電壓。此開關節點通過一個提供直流輸出的低通電感器-電容器濾波器進行饋電。大多數降壓轉換器以固定頻率 (f_SW) 進行開關,因此會在該頻率及其諧波 (n x f_SW)上產生 EMI。來自基頻及其諧波的特征峰值有可能超出這些頻率下允許的最大 EMI 輻射。

圖 1.無展頻的固定頻率性能

在圖 1 中,隨時間推移,開關頻率 (f_SW = 2.1MHz) 保持恒定。輸出紋波是平坦的;超低頻的 EMI 掃描顯示的是本底噪聲,低頻的 EMI 掃描顯示的是尖峰峰值基頻和伴隨諧波,而高頻的 EMI 掃描顯示的則是高次諧波。

圖1中的紅線表示典型 EMI 測試的限制線。在展頻降壓轉換器中,f_SW 發生抖動,因此,器件在一定頻率范圍內進行開關。例如,如果器件在抖動 ±5%的情況下以 1MHz 的頻率進行開關,基頻發射將在0.95MHz 和 1.05MHz 之間或者在中心頻率上下50kHz 范圍內傳播能量。二次諧波在 1.90MHz 和2.10MHz 之間或者中心頻率上下 100kHz 范圍內傳播。

對于本例,在第 10 次或更高次諧波處,展頻開始相互融合,并且波峰已變成平坦的均能波形,該波形通常比沒有展頻的陡峭波峰頂部低 10dBμV。

以下描述內容涵蓋了兩種常見的展頻實現方法,然后介紹了另外兩種改進的方法。

一、三角調制法

三角調制法以三角形將 f_SW 上調和下調。典型展頻是±4% 到 ±10% (?f_SW),調制頻率為 4kHz 到 15kHz(f_m)。請參閱圖 2。

?優點?

該方法簡單易懂,便于實現。連續的上升和下降可確保沒有相同頻率的連續開關周期(這種周期將在該頻率及其相關諧波上引起尖峰)。三角調制也十分有利于將能量均勻分散到中心頻率之外,從而產生一個幾乎平坦的能量帶,僅在該能量帶的末端有一些波峰(波峰未在圖 2 中展示)。展頻功能能夠擴展基頻以及高次諧波。

擴展基頻將減小其幅度,從而使設計人員能夠選擇成本更低的輸入 EMI 濾波器。在輸入 LC 濾波器中,較低的基頻只需較小的電感和電容,即可保持在 EMI 測試限制線以下。使用三角調制可確保對基頻的這種展頻具有合理的平坦度且均勻分布。其他方法會加大中心頻率或最終頻率的權重,因而導致基頻和早期諧波的衰減減少。

圖 2.三角調制展頻性能

?缺點?

為了避免拍頻的過度重疊,三角調制頻率 (fm) 必須足夠慢,才能確保每個上升和下降具有多個開關周期。但是,高頻 EMI 掃描花費很少的時間來測量每個數據點的EMI。緩慢的上升或下降可能會使得 EMI 掃描僅測量該上升/下降的一小部分,此情況下會顯示為展頻較少的發射,從而明顯降低 ?f_SW。對于分立式三角調制,緩慢升降是一個更大問題;在此情況下,上升和下降實際上是階梯形式,每一步都會開關多次。

另一個缺點是輸出電壓和輸入電壓會在三角調制頻率下形成紋波。這是由兩個因素造成的。第一個因素來自電感器電流紋波的幅度調制。較低開關頻率會產生較大電感器電流紋波,反之亦然,因此會在三角調制頻率 f_m 下在輸入端產生電壓紋波。第二個因素是該調幅電感器電流與控制方案(通常是峰值或谷值電流模式控制)之間的相互作用。電感器電流幅度的變化將使電感器平均電流上下移動,從而在輸出電壓和輸入電壓上引起電壓紋波。此頻率也是 f_m 并且通常處于可聞范圍內,如果超低頻率噪聲與任何發聲電路(例如音頻放大器,甚至是安裝不良的印刷電路板上的陶瓷電容器)相互作用,就會產生可聽見的聲音。

二、假隨機調制法

假隨機調制法以假隨機方式(通過編程生成,但本質為隨機)上調和下調 f_SW。一些實現方式會限制最大步長,以防止頻率跳得過遠并在正常運行中造成過多干擾。典型的展頻范圍是 ±3% 至 ±6%,并且頻率通常在每個開關周期都會變化。在圖 3 中,請注意,開關頻率在每個開關周期都會變化,因此波形的時間標度以微秒為單位(不同于其他方案中以毫秒為單位)。

圖 3.假隨機調制展頻性能

?優點?

請注意 f_SW 可在短時間內發生大范圍變化,這有助于避免發生 EMI 掃描僅掃描一小部分展頻的問題。這種大范圍跳躍會產生出色的高頻性能。超低頻率的 EMI 是隨機分布的,這說明如果輸出和輸入上的 EMI 耦合到發聲電路中,則不會產生音調。EMI 仍然存在,但已展頻,與三角調制法產生的單音相比,此方法產生的白噪聲聲音更多。

?缺點?

根據頻率分布和實現方式,基頻(和早期諧波)能量分布不佳。與使用三角調制法相比,這種分散的能量會導致這些頻率下的發射頻率更劇烈且更高,并且無法顯著減小輸入 EMI 濾波器的尺寸并降低成本。另一個缺點是假隨機碼型的數字性質可能會導致代碼重復。如果隨機發生器最終在多個周期內以相同頻率進行開關,該時間內的展頻看起來似乎處于關閉狀態。確保實現過程中沒有重復代碼、使用大量不同的步驟或實現真正隨機的模擬步驟,以免形成展頻已關閉的感覺。

三、展頻與展頻相加

三角和假隨機方法能夠消除固有的開關峰值,但是存在非理想情況;前面討論過的調制會使某些峰值穿過或導致其他噪聲和峰值。展頻與展頻相加將有助于減少或消除這些有害的峰值和噪聲。

首先從三角調制法開始,但是將調制增加到三角調制。此種增加做法會導致三角頻率(f_m) 隨時間變化,從而將可聞噪聲尖峰從音調展頻到噪聲。在該波形頂部添加了一些假隨機調制(如圖 4 所示)。

圖 4.展頻與展頻相加性能

?優點?

低頻可聞噪聲將從音調擴展至來自調制三角和假隨機調制的噪聲。基頻和早期諧波通過三角調制法均勻展頻,可減小輸入 EMI 濾波器的尺寸和成本。高頻諧波會因附加的假隨機調制而實現展頻。

?缺點?

此方法更復雜且更難實現。即使將低頻噪聲進行展頻,它仍然存在并且會在發聲電路中引起噪聲(例如白噪聲)。

四、雙隨機展頻

雙隨機展頻同展頻與展頻相加完全相同,但有一個附加功能:低頻紋波消除功能。此方法在展頻調制器與峰值或谷值電流控制電路之間增加某種通信,從而搶先調整 值或谷值電流命令值,以便消除與展頻相關的噪聲(如圖 5 所示)。

圖 5.雙隨機展頻性能

?優點?

此方法消除了超低頻輸出電壓紋波以及相關的輸入電壓紋波。此方法從輸出端消除可聞噪聲,并在輸入端使此類噪聲大大降低。

?缺點?

根據器件的不同,會需要一個電阻器以根據運行條件調整消除效果

結論

展頻是一項出色的功能,能夠大大改善 EMI 結果,而對其他系統的運行幾乎沒有影響。

本文介紹的四種方法各有利弊,但是隨著設計人員對展頻優化的深入了解,技術也在不斷改進。憑借這些知識,就可按照特定的設計要求找到特定的方法,從而充分利用此展頻功能所帶來的各種優勢。