采用频谱功率控制避免物联网设计中的噪声

物联网（IoT）设备的一个关键特性是它们能够通过低能量无线链路传递数据。需要传输和接收的数据的敏感性意味着需要采取措施来保护链路。除了使用加密通信之外，还可以通过限制网络上节点的发射功率以及使用使比特难以与随机噪声区分的编码方案来降低窃听风险。

因此， RF灵敏度在增强安全性方面起着重要作用，因为它允许使用较低的功率电平并采用更高级的编码方案。然而，对接收灵敏度的要求对设备内可容许的噪声水平提出了严格的要求。低能量无线电接收器通常容易受到集中在特定频率上的窄带噪声的影响，特别是因为协议通常使用窄带信道，因此避免干扰更加困难。

虽然可以调谐时钟因此，内部干扰的主要原因是避免产生干扰特定RF传输频带的谐波，因此对灵活性的需求使得在实践中难以实现。诸如Weightless之类的白空间无线电系统要求RF子系统具有频率捷变性 - 因此接收器有时需要应对本地产生的干扰。因此，抑制电路设计中的电磁干扰（EMI）变得越来越重要。

任何电子系统中EMI的关键来源是电源子系统。大多数在负载点（POL）提供稳定电源轨的设计已经从使用模拟低压差（LDO）稳压器转向为开关模式DC/DC转换器提供稳定的电源轨。虽然开关模式DC/DC转换器提供高效率，最大化可从单个电池充电恢复的能量，但它们的开关行为可能是噪声的主要来源。主要来源是用于驱动脉冲宽度PWM转换电路的时钟。

PWM控制方法对输出电压进行采样，并从参考电压中减去该值，以建立一个小的误差信号。将该误差信号与由振荡器驱动的常规斜坡信号进行比较，该振荡器通常以固定频率运行。比较器输出一个操作电源开关的数字输出。当电路输出电压改变时，误差信号也改变，从而导致比较器阈值改变。因此，输出脉冲宽度也会改变。此占空比变化然后移动输出电压以将误差信号减小到零，从而完成控制环路。

来自PWM的常规脉冲，因为转换器在每个周期中打开或关闭，具体取决于方向斜坡信号的输入噪声会在输入级的线路和中性节点上产生输入噪声。这种噪声在开关频率的谐波中表现出来，因此可以很容易地达到用于发送和接收的RF范围。降低耦合到下游电路的噪声的一种方法是使用EMI滤波器。然而，这些增加了整个系统的成本和重量，在小型物联网和可穿戴设备的情况下，这通常是不可接受的。

增加组件的一种越来越流行的替代方案是改变PWM-基于转换器本身。尽管需要在合理的规则基础上产生脉冲，但是用于平滑电源轨上的电压的输出上的电容意味着不需要在精确的时间提供能量脉冲。相反，可以调制驱动PWM电路的时钟信号，使得与该时钟相关的干扰扩展到更宽的带宽。

近20年前，该技术被首次作为降低EMI的手段进行了探索，惠普工程师Cornelis Hoekstra在该公司的技术期刊中对此进行了记录，主要是为了解决高次谐波的影响。更难以屏蔽，并且可能对RF信号和接收质量产生不利影响。 Hoekstra的论文已成为所谓的扩频时钟的标准参考。

Hoekstra对高次谐波的影响更大：“频率偏差的绝对值随谐波次数线性增加，因此光谱在高次谐波处，能量分布在更大的范围内，而测量光谱能量的滤波器宽度是固定的。“

HP尝试的第一个方案基于非常简单的方波调制。电路中的结果-lag和过冲意味着时钟频率不会简单地在两个离散值之间移动，而是不是从一个频率直接移位。尽管该方案简单，但它成功地扩展了峰值，因此设备可以通过惠普当时关注的FCC辐射发射测试。

< p>图1：通过扩频调制扩散谐波。

后来扩频调制的尝试主要集中在更复杂的时钟控制技术上，使用正弦波，三角波调制以及随机调制。这些技术现已从主系统时钟延伸到DC/DC转换器和噪声敏感应用中使用的其他电源系统。

图2 ：由正弦调制器调制的正弦波频谱。

凌力尔特公司的LTC6909扩频振荡器设计用于DC/DC转换器，如LTM4601，可在峰值时提供EMI改善频率高达10 dB。对于需要消耗大量功率的系统，LTC6909可以产生多达8个相位同步输出，以驱动多个DC/DC转换器。相位同步通过确保每个转换器在整个时钟周期的不同部分期间切换来确保输出纹波最小化。

使用LTC6909时，当启用扩频模式时，使用滤波的伪随机噪声调制主时钟信号。调制产生近似平坦的频谱，以设定频率为中心，带宽等于中心频率的约20％。用于选择扩频模式的MOD引脚的状态确定调制速率，从fout/16到fout/64。振荡器针对500 kHz至10 MHz之间的输出频率进行了优化。

图3：LTC6909电源调制器的框图。

德州仪器（TI）的TPS8267x是一款完整的600 mA DC/DC降压转换器，适用于集成了差分的低功耗应用。频谱调制器。该封装还包括开关稳压器，电感器以及输入和输出电容器，适用于微型SIP器件，适用于对空间敏感的物联网应用。

该转换器工作在5.5 MHz的稳定开关频率，通过扩频支持，该器件可替代低噪声线性稳压器，以实现更高的功率转换效率。扩频架构将开关频率改变了标称开关频率的约±10％，使用三角波调制频率。

扩频技术可以扩展到DC/DC转换器以外的物联网需要隔离电源轨的仪器。 Maxim Integrated MAX13253是一款1 A推挽式变压器驱动器，具有自己的内部振荡器，采用+3 V至+5.5 V单电源供电。变压器的次级到初级绕组比定义了输出电压，允许选择几乎任何隔离输出电压和电流隔离。

集成振荡器使用引脚可选扩展驱动一对n沟道电源开关 - 光谱振荡。通过使用压摆率控制，可以进一步降低EMI。

随着物联网应用变得越来越普遍，对能效的关注以及射频灵敏度变得越来越重要，我们可以期待诸如传播之类的技术。频谱功率控制有待进一步探索。