開關穩壓器的EMI解決方案 - 全文

隨著人們對能量效率要求的提高，越來越多產品在設計時開始采用開關穩壓器以取代線性穩壓器。使用多個開關穩壓器的電源系統日漸普及，而伴隨著穩壓器數目的增加，電磁干擾（EMI）的影響也在加劇。為降低EMI，最簡單、最具成本效益的方法之一就是采用多相、擴頻時鐘。

　　多相同步

　　大多數開關穩壓器的工作頻率都可利用一個外部時鐘來控制，而這個外部時鐘又決定了所產生EMI的基本頻率。利用這個特點可以將EMI設定在一個敏感頻段之外，而且，當同時運作多個開關穩壓器時，這是一個極為有用的特點。當時鐘頻率彼此靠近并引起拍頻情況時，多個獨立運行的開關穩壓器有可能產生很大的峰值EMI。同樣，如果多個穩壓器依靠單個時鐘來運作，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鐘頻率、不同的相位來驅動每個穩壓器。

　　多相同步指的是以單一時鐘頻率對多個開關電源進行外部驅動的方法，該方法在每個穩壓器之間設置了一個時移。通過使每個開關電源錯開接通（這樣一來，目前吸收輸入電流的工作相位先前則是一個死區），峰值開關電流得以減小。因此，使多個開關穩壓器“異相”（而不是“同相”）同步可以減小峰值電流，從而降低EMI。

　　此外，相位同步將導致產生的EMI頻率提高。這簡化了降低EMI的任務，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，還可以通過連續改變開關穩壓器時鐘的頻率來改善EMI。這種被稱為SSFM的技術不允許發射能量在任何接收器的頻段中停留過長的時間，從而改善了EMI。為了最大限度地發揮SSFM的效用，主要有4個必需考慮的因素：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，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際的系統設備，也有可能是用于實現與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重要的特性：接收器將會做出響應的頻率范圍以及在遭受EMI時接收器的響應時間。

　　調制方法

　　大多數開關穩壓器都會呈現隨頻率而變化的紋波；在較低的開關頻率下紋波較多，而在較高的開關頻率下則紋波較少。因此，如果對開關時鐘進行頻率調制，則開關電源的紋波將呈現幅度調制。如果時鐘的調制信號是周期性的（例如：正弦波或三角波），則將進行周期性的紋波調制，而且在調制頻率上存在一個明顯的頻譜分量。由于調制頻率遠遠低于開關電源的時鐘頻率，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，這有可能引發問題，例如：可聽音或明顯的偽像。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，時鐘將以一種偽隨機的方式從一個頻率轉移至另一個頻率。由于開關電源的輸出紋波由一個類噪聲信號施以幅度調制，因此輸出看似沒有進行調制，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，帶內時間的百分比減少。如果發射信號偶爾進入接收器的頻段而且停留的時間很短（相對于其響應時間），則可以顯著地降低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，開關穩壓器所能容許的頻率范圍是有限的。一般來說，大多數開關穩壓器都能很容易地承受±10%的頻率變化。

　　對于某個給定的接收器，當頻率調制的速率增加時，EMI處于“帶內”的時間將減少，EMI將降低，這一點與調制量很相似。不過，對開關電源所能跟蹤的頻率變化速率（dF/dt）有一個限值。相應的解決方案是找出那個不會影響開關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、擴頻開關穩壓器時鐘提供了一個理想的平臺。除了具有一個板上時鐘發生器之外，這些固態器件還能將擴頻調制與多相輸出組合起來。考慮到這一點，凌力爾特公司開發出了LTC6909（圖1），這是一款具有8個單獨多相輸出的精準擴頻硅振蕩器。單個電阻器負責在12.5kHz至6.67MHz的范圍內選擇輸出頻率。三個邏輯輸入用于設定輸出相位關系（范圍從45°至120°），從而允許LTC6909為多達8個相位提供同步。可以啟用一種偽隨機擴頻調頻，頻率擴展量在中心頻率的±10%。用戶可選擇3種調制速率之一，以確保調制速率不超過穩壓器的帶寬。此外，LTC6909還具有一個創新的濾波器，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。