电子发烧友App
电磁辐射 （EMR）、电磁干扰 （EMI） 和电磁兼容性 （EMC） 是与带电粒子和相关磁场的能量相关的术语，这些能量可能会干扰电路性能和信号传输。随着无线通信的普及，通信设备的增多，以及越来越多的通信方法（包括蜂窝、Wi-Fi、卫星、GPS 等）使用越来越多的频谱（有些频段重叠），电磁干扰是生活中的事实。为了减轻影响，许多政府机构和监管机构对通信设备、设备和仪器可以发射的辐射量设定了限制。这种规范的一个例子，CISPR 16-1-3，
电磁干扰可分为传导（通过电源传输）或辐射（通过空气传输）。开关电源产生这两种类型。ADI 公司为减少传导和辐射干扰而实施的一项技术是扩频调制 （SSFM）。这种技术用于我们的几个基于电感器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带，从而降低特定频率的峰值和平均噪声。
SSFM 通过不允许发射的能量在任何一个接收器频带中停留很长时间来改善 EMI。有效 SSFM 的关键决定因素是频率扩展量和调制率。对于切换器应用，±10% 的扩展是典型的，最佳调制率由调制曲线决定。SSFM 使用各种扩频方法，例如用正弦波或三角波调制时钟频率。
调制方式
大多数开关稳压器都表现出与频率相关的纹波：在较低开关频率下纹波较大，在较高开关频率下纹波较小。因此，如果对开关时钟进行频率调制，则开关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，则在调制频率上会有周期性的纹波调制和明显的频谱分量（图 1）。
（图 1. 由时钟的正弦频率调制引起的开关稳压器纹波示意图。）
由于调制频率远低于切换器的时钟，因此可能难以滤除。由于下游电路中的电源噪声耦合或有限的电源抑制，这可能会导致问题，例如可听见的音调或可见的显示伪影。伪随机频率调制可以避免这种周期性波动。使用伪随机频率调制，时钟以伪随机方式从一个频率转换到另一个频率。由于开关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，带内时间的百分比减少。在下面的图 2 中，请注意与单个未调制窄带信号相比，调制频率如何显示为峰值低 20 dB 的宽带信号。如果发射信号在短时间内（相对于其响应时间）不频繁地进入接收器的频带，则会显着降低 EMI。例如，±10% 的频率调制在降低 EMI 方面将比±2% 的频率调制更有效。1但是，开关稳压器可以承受的频率范围有限。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带和更低的峰值能量。）
调制率
与调制量类似，随着频率调制率（跳跃率）的增加，EMI 在给定接收器的带内时间将减少，EMI 将减少。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切换器输出调节的最高调制率。
测量 EMI
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设置以反映感兴趣的现实世界带宽，并确定 SSFM 的有效性。当进行频率调制时，检测器会在发射扫过检测器频带时做出响应。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，检测器的响应时间不会影响固定频率发射，也没有观察到 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 改进，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 的占空比会根据发射在探测器频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 改进，因为它通过低通过滤峰值检测信号，从而产生平均带内能量。与平均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。固定频率发射产生 100% 的占空比，而 SSFM 的占空比会根据发射在探测器频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 改进，因为它通过低通过滤峰值检测信号，从而产生平均带内能量。与平均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。固定频率发射产生 100% 的占空比，而 SSFM 的占空比会根据发射在探测器频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 改进，因为它通过低通过滤峰值检测信号，从而产生平均带内能量。与平均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。平均检测测试可以显示出最显着的 EMI 改进，因为它通过低通过滤峰值检测信号，从而产生平均带内能量。与平均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。平均检测测试可以显示出最显着的 EMI 改进，因为它通过低通过滤峰值检测信号，从而产生平均带内能量。与平均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 和接收机带宽
无论是否启用 SSFM，开关稳压器的峰值发射在任何时刻都可能相同。怎么可能？SSFM 的有效性部分取决于接收器的带宽。接收排放的瞬时快照需要无限带宽。每个实际系统都有有限的带宽。如果时钟频率的变化快于接收器的带宽，则接收到的干扰的减少将是显着的。
（图 3. 使用启用和未启用 SSFM 的 LTC6908 的开关稳压器输出频谱（9 kHz 分辨率带宽）。）
硅振荡器中的 SSFM
LTC6909、LTC6902和LTC6908 _是具有扩频调制的八、四和二输出多相硅振荡器。这些器件通常用于为开关电源提供时钟。多相操作有效地提高了系统的开关频率（因为相位表现为开关频率的增加），扩频调制使每个设备在一个频率范围内切换，从而将传导 EMI 扩展到更宽的频带。LTC6908 具有 5 kHz 至 10 MHz 的频率范围，提供两个输出，并且有两个版本可供选择：LTC6908-1 具有两个输出，它们之间具有 180° 相移，而 LTC6908-2 具有两个输出具有 90°它们之间的相移。前者是同步两个单开关稳压器的理想选择，后者是同步两个双两相开关稳压器的理想选择。四通道 LTC6902 具有 5 kHz 至 20 MHz 的频率范围，并可针对等间距的 2、3 或 4 相进行编程。LTC6909 具有 12kHz 至 6.67MHz 的频率范围，并且可以针对多达 8 个相位进行编程。
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换到另一个频率。频移率或跳跃率越高，切换器在给定频率下运行的时间越短，并且对于给定的接收器间隔，EMI在带内的时间越短。
（图 4. 说明 LTC6908/LTC6909 内部跟踪滤波器效果的伪随机调制。）
然而，跳频速率是有限制的。如果频率跳变的速率超出开关稳压器的带宽，则输出尖峰可能会出现在时钟频率转换边缘。较低的切换器带宽会导致更明显的尖峰。出于这个原因，LTC6908 和 LTC6909 包括一个专有的跟踪滤波器，它可以平滑从一个频率到下一个频率的转换（LTC6902 使用一个内部 25 kHz 低通滤波器）。内部滤波器跟踪跳频，为所有频率和调制速率提供最佳平滑。
这种滤波后的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到周期的抖动问题。即使使用跟踪滤波器，给定调节器的带宽仍可能不足以实现高频率调制。对于带宽限制， LTC6908 /LTC6909 的跳频速率可以从标称频率的 1/16 的默认速率降低到标称频率的 1/32或 1/64的速率。
电源中的 SSFM
开关稳压器在逐个周期的基础上运行，以将功率传输到输出端。在大多数情况下，工作频率是固定的或恒定的，具体取决于输出负载。这种转换方法会在工作频率（基波）和工作频率的倍数（谐波）处产生大量噪声分量。
单击此处获取具有扩频频率调制的降压稳压器列表。
LTM4608A：具有 SSFM 的 8A、2.7V 至 5.5V输入DC 至 DC µModule®降压稳压器
为了降低开关噪声，LTM4608A可以通过将 CLKIN 引脚连接到 SV IN来启用扩频工作（低功率电路电源电压引脚）。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，其周期在逐个周期的基础上是随机的，但固定在标称频率的 70% 和 130% 之间。这有利于将开关噪声分散到一个频率范围内，从而显着降低峰值噪声。如果 CLKIN 接地或由外部频率同步信号驱动，则扩展频谱操作将被禁用。图 5 显示了启用扩频操作的操作电路。必须在 PLL LPF 引脚和地之间放置一个 0.01 µF 的电容，以控制扩频频率变化的压摆率。组件值由以下等式确定：
LT8609：具有 SSFM 的 42V 输入、2A 同步降压转换器
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，从而允许使用更小的外部组件。SSFM 模式的操作类似于脉冲跳跃模式操作，主要区别在于开关频率由 3 kHz 三角波上下调制。调制范围由开关频率设置在低端（由 RT 引脚上的电阻器设置），在高端设置比 RT 设置的频率高约 20% 的值。要启用扩频模式，请将 SYNC 引脚连接到 INTVCC 或将其驱动到 3.2 V 和 5 V 之间的电压。
（图 5. 启用扩频的 LTM4608A。）
LTC3251/LTC3252：具有 SSFM 的电荷泵降压型稳压器
LTC3251 / LTC3252是 2.7 V 至 5.5 V、基于单 500 mA/双 250 mA 电荷泵的降压型稳压器，可产生一个时钟脉冲，其周期在逐个周期的基础上是随机的，但固定在 1 MHz 和1.6兆赫。图 6 和图 7 显示了与传统降压转换器相比，LTC3251 的扩频特性如何显着降低峰值谐波噪声并实际上消除了谐波。扩频操作可通过 LTC3251 选择，但始终通过 LTC3252 启用。
（图 7. 启用 SSFM 的 LTC3251。）
LED 驱动器中的 SSFM
LT3795：具有 SSFM 的 110V 多拓扑 LED 控制器
开关稳压器 LED 驱动器对于涉及 EMI 的汽车和显示照明应用来说也很麻烦。为了提高 EMI 性能，LT3795 110 V 多拓扑 LED 驱动器控制器包括 SSFM。如果 RAMP 引脚上有一个电容器，则会产生一个在 1 V 和 2 V 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% 和由时钟频率设置电阻 RT 设置的基频之间调制开关频率。调制频率由下式设定：
图 8 和图 9 显示了传统升压开关转换器电路（连接到 GND 的 RAMP 引脚）和启用扩频调制的升压开关转换器（RAMP 引脚处为 6.8 nF）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 测量结果对使用电容器选择的 RAMP 频率很敏感。1 kHz 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才能在特定系统中获得最佳的整体 EMI 结果。
（图 9. LT3795 峰值传导 EMI。）
LT3952：具有 SSFM 的多拓扑 42V IN、60V/4A LED 驱动器
LT3952是一款60V /4A 电源开关、恒流、恒压多拓扑 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 SW ） 变化到标称频率以上的 31%，步长为 1%。这种单向调整允许 LT3952 避开系统中的敏感频带（例如 AM 无线电频谱），只需将标称频率编程为略高于该频率即可。比例步长允许用户轻松确定此指定 EMI 测试箱大小的时钟频率值（RT 引脚），伪随机方法提供频率变化本身的音调抑制。
使用 f SW /32的速率，伪随机值与振荡器频率成比例更新。该速率允许在标准 EMI 测试停留时间内多次通过整个频率组。
（图 10. LT3952 平均传导 EMI。）
ADI 公司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过滤。另一项新技术是通过我们的 Silent Switcher ®技术实现的，该技术使用布局来有效降低 EMI。LT8640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 Silent Switcher 技术和 SSFM 以降低 EMI。
关于作者
Greg Zimmer 是 ADI 公司电池管理系统事业部的营销经理，在广泛的高性能信号调理 IC 产品营销方面拥有丰富的经验。Greg 的背景包括市场营销、技术营销、应用工程和模拟电路设计。
Kevin Scott 是 ADI 公司电源产品部的产品营销经理，负责管理升压、降压-升压和隔离转换器，以及 LED 驱动器和线性稳压器。他之前曾担任高级战略营销工程师，创建技术培训内容，培训销售工程师，并撰写了大量关于公司广泛产品的技术优势的网站文章。他在半导体行业从事应用、业务管理和营销工作 26 年。
审核编辑：郭婷
工商网监
评论