開(kāi)關(guān)穩壓器的EMI設計

隨著(zhù)人們對能量效率要求的提高，越來(lái)越多產(chǎn)品在設計時(shí)開(kāi)始采用開(kāi)關(guān)穩壓器以取代線(xiàn)性穩壓器。使用多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器的電源系統日漸普及，而伴隨著(zhù)穩壓器數目的增加，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、擴頻時(shí)鐘。

多相同步

大多數開(kāi)關(guān)穩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設定在一個(gè)敏感頻段之外，而且，當同時(shí)運作多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)，這是一個(gè)極為有用的特點(diǎn)。當時(shí)鐘頻率彼此靠近并引起拍頻情況時(shí)，多個(gè)獨立運行的開(kāi)關(guān)穩壓器有可能產(chǎn)生很大的峰值EMI。同樣，如果多個(gè)穩壓器依靠單個(gè)時(shí)鐘來(lái)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(shí)鐘頻率、不同的相位來(lái)驅動(dòng)每個(gè)穩壓器。

多相同步指的是以單一時(shí)鐘頻率對多個(gè)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行外部驅動(dòng)的方法，該方法在每個(gè)穩壓器之間設置了一個(gè)時(shí)移。通過(guò)使每個(gè)開(kāi)關(guān)電源錯開(kāi)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），峰值開(kāi)關(guān)電流得以減小。因此，使多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器“異相”（而不是“同相”）同步可以減小峰值電流，從而降低EMI。

此外，相位同步將導致產(chǎn)生的EMI頻率提高。這簡(jiǎn)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：采用擴頻調制，可提供1至8個(gè)輸出的多相硅振蕩器LTC6909。

擴頻調頻（SSFM）及接收器

除了多相同步之外，還可以通過(guò)連續改變開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)鐘的頻率來(lái)改善EMI。這種被稱(chēng)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(cháng)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、頻率調制的方法、頻率擴展量和調制速率。

在考慮EMI時(shí)，設計師應對受EMI影響的接收器帶寬有所了解。這些接收器可能是實(shí)際的系統設備，也有可能是用于實(shí)現與CISPR 16-1監管標準之相符性的接收器。接收器的帶寬決定了兩個(gè)重要的特性：接收器將會(huì )做出響應的頻率范圍以及在遭受EMI時(shí)接收器的響應時(shí)間。

調制方法

大多數開(kāi)關(guān)穩壓器都會(huì )呈現隨頻率而變化的紋波；在較低的開(kāi)關(guān)頻率下紋波較多，而在較高的開(kāi)關(guān)頻率下則紋波較少。因此，如果對開(kāi)關(guān)時(shí)鐘進(jìn)行頻率調制，則開(kāi)關(guān)電源的紋波將呈現幅度調制。如果時(shí)鐘的調制信號是周期性的（例如：正弦波或三角波），則將進(jìn)行周期性的紋波調制，而且在調制頻率上存在一個(gè)明顯的頻譜分量。由于調制頻率遠遠低于開(kāi)關(guān)電源的時(shí)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(wèn)題，例如：可聽(tīng)音或明顯的偽像。偽隨機頻率調制能夠消除這種周期性紋波。當采用偽隨機頻率調制時(shí)，時(shí)鐘將以一種偽隨機的方式從一個(gè)頻率轉移至另一個(gè)頻率。由于開(kāi)關(guān)電源的輸出紋波由一個(gè)類(lèi)噪聲信號施以幅度調制，因此輸出看似沒(méi)有進(jìn)行調制，而且下游系統的影響可忽略不計。

圖2：LTC6909的偽隨機調制和內部跟蹤濾波器。

調制量和調制速率

當SSFM頻率的范圍增加時(shí)，帶內時(shí)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(shí)間很短（相對于其響應時(shí)間），則可以顯著(zhù)地降低EMI。例如：在降低EMI方面，±10%的頻率調制將比±2%的頻率調制有效得多。然而，開(kāi)關(guān)穩壓器所能容許的頻率范圍是有限的。一般來(lái)說(shuō)，大多數開(kāi)關(guān)穩壓器都能很容易地承受±10%的頻率變化。

對于某個(gè)給定的接收器，當頻率調制的速率增加時(shí)，EMI處于“帶內”的時(shí)間將減少，EMI將降低，這一點(diǎn)與調制量很相似。不過(guò)，對開(kāi)關(guān)電源所能跟蹤的頻率變化速率（dF/dt）有一個(gè)限值。相應的解決方案是找出那個(gè)不會(huì )影響開(kāi)關(guān)電源輸出調節性能的最高調制速率。

理想的解決方案

硅振蕩器為多相、擴頻開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)鐘提供了一個(gè)理想的平臺。除了具有一個(gè)板上時(shí)鐘發(fā)生器之外，這些固態(tài)器件還能將擴頻調制與多相輸出組合起來(lái)?？紤]到這一點(diǎn)，凌力爾特公司開(kāi)發(fā)出了LTC6909（圖1），這是一款具有8個(gè)單獨多相輸出的精準擴頻硅振蕩器。單個(gè)電阻器負責在12.5kHz至 6.67MHz的范圍內選擇輸出頻率。三個(gè)邏輯輸入用于設定輸出相位關(guān)系（范圍從45°至120°），從而允許LTC6909為多達8個(gè)相位提供同步?？梢詥⒂靡环N偽隨機擴頻調頻，頻率擴展量在中心頻率的±10%。用戶(hù)可選擇3種調制速率之一，以確保調制速率不超過(guò)穩壓器的帶寬。此外，LTC6909還具有一個(gè)創(chuàng )新的濾波器，該濾波器負責跟蹤SSFM調制速率并在頻率轉換之間提供平滑處理。

圖3：LTC6909啟用SSFM以改善EMI。

本文小結

在單個(gè)系統中使用多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器會(huì )產(chǎn)生重大的EMI問(wèn)題。除了標準的布局、濾波和屏蔽等習慣做法之外，運用多相同步和擴頻調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(jià)值。