利用频率扩展技术改善开关的EMI性能

　　由于开关稳压器能够极大地节省空间并具有极低的功耗，因此这种稳压器正在逐步取代线性稳压器，而进入各种新型应用中。但是，开关稳压器有一个缺点，其内部开关电流可能产生电磁干扰(EMI)。EMI的峰值能量集中在开关频率上，降低EMI的传统方法是谨慎处理接地、屏蔽和滤波。这些降低EMI的方法以控制和抑制稳压器内部开关电流所产生的辐射为主。降低开关电流的幅度和改变频率也能降低EMI。确切地说，多相同步和扩展频谱频率调制(SSFM)是降低EMI的两种强有力的工具。

　　多相同步技术

　　采用多个同步开关取代单个开关可以降低峰值开关电流。这种方法就是多相同步，通过从外部驱动开关来实现，它用一个外部时钟使稳压器之间产生相移。多相同步将每个开关的接通时间错开，这样在以前是死区的地方就有了输入电流。图1显示的是用单个200kHz时钟工作的两个开关稳压器的电源电流。左图显示的是未采用时钟同步方法时的电流。右边的图显示的则是让第二个稳压器时钟有180°相移时的电流，结果在两倍频(400kHz)上出现了较小的峰值电流，因此峰值EMI也较小。由于EMI现在于两倍频上，所以可以进一步降低，因为在较高频率上滤波更有效。通过将时钟信号相位划分成多个相位增量，可以同步更多的稳压器，而每增加一个稳压器都会使EMI降低一些。很多两相和多相稳压器都通过内置时钟相移来实施多相同步。

　　利用外部时钟实现多相同步允许多个两相或多相稳压器同步，而且根据电源要求需使用多个独立的稳压器时，有时也必须用外部时钟进行多相同步。硅振荡器非常适用于这类应用，因为硅振荡器能够提供多个频率和相位可编程的输出。

　　应该提到的是，多相同步的好处远不止于改善EMI。使用多个并联的同步稳压器的一个基本作用是消除输入和输出的纹波电流，从而允许使用尺寸小得多的输入和输出电容器。多相解决方案具有较小的等效电感，因此可以实现较高的电流转换率。就负载瞬态而言，多相解决方案还具有较短的开关延迟时间。负载瞬态响应得到改善以后，所需的输出电容可以进一步减小。

　　图1：未采用和采用相位同步的两个开关稳压器的电源电流。

　　扩展频谱频率调制

　　对EMI的最大改善可以通过不断改变开关的时钟频率来实现。这种方法叫做SSFM，它改善EMI的道理是，不允许辐射的能量在任何接收器频带内长时间停留。开关稳压器采用SSFM的有效性取决于频率扩展量(典型值为±10%)和调制方式。

　　大多数开关都产生随频率变化的纹波，开关频率越低、纹波越大，开关频率越高、纹波越小。因此，如果开关时钟是频率调制的，那么开关的纹波就产生幅度调制。如果时钟的调制信号是周期性的，如正弦波或三角波，那么就会出现周期性纹波调制，而且在调制频率处出现一个截然不同的频谱分量。因为调制频率远低于开关的时钟频率，因此可能难以滤除。这有可能导致系统问题，如出现可听单音或可见干扰，引起电源噪声耦合或下行电路电源抑制受限问题。

　　伪随机频率调制可以避免这种周期性纹波。采用伪随机频率调制方法时，开关稳压器的时钟以伪随机方式从一个频率转移到另一个频率。由于开关输出纹波的幅度是由一个类似噪声的信号调制，因此输出看起来好像没有调制一样，对下行系统的影响也微不足道。频率转移的速度或称跳变速率越快，开关在给定频率上工作的时间就越短(如图2所示)，就给定接收器而言，EMI在“带内”的时间也就越短。

　　图2：伪随机调制和LTC6908跟踪滤波器的作用。

　　不过，开关能跟得上的频率变化速度(df/dt)是有限的。时钟频率突变时，在时钟频率的过渡边缘将出现输出尖峰(与负载阶跃响应非常类似)。较低的带宽开关其尖峰更加显著。出于这个原因，凌力尔特公司最新的SSFM振荡器LTC6908中含有一个专有跟踪滤波器，用以平滑从一个频率向下一个频率的过渡。大多数开关的带宽都是标称开关频率的1/10至1/20，这刚好适合LTC6908，LTC6908的缺省调制速率为标称时钟频率的1/16。就带宽有限的开关而言，LTC6908的调制速率可以降低至标称时钟频率的1/32或甚至1/64，以确保恰当地稳压。内部滤波器跟踪跳变速率，以在所有频率和调制速率上实现最佳的平滑效果。

　　图3：采用LTC6908的开关稳压器输出频谱(9kHz分辨率带宽，峰值检波器)。

　　图4：LTC6908驱动两个开关稳压器示意图。

　　SSFM确实有用吗？

　　在电磁兼容(EMC)领域，开关几乎总是发射器，而其它所有东西都可能是接收器。在任意时刻，开关稳压器的峰值辐射看起来都是相同的，不管SSFM是否启用。瞬时辐射的幅度是不变的，但是瞬时辐射的频率确实在变。那么，SSFM怎么起作用呢？SSFM的有效性取决于频率扩展量和频率调制速率与接收器带宽的相对关系。接收器要接收辐射“瞬态表征”，就需要具有无限大的带宽，所幸的是，每个实际系统都只具有有限的带宽。系统带宽决定了两个重要特性：接收器响应的频率范围；在遇到EMI时接收器的响应(其响应时间)有多快。如果相对于系统的响应时间，辐射信号不常进入测量系统的频带，而且进入以后停留时间非常短，那么EMI就会极大地降低。当然，系统不同，性能提升情况也不同，而且尽管SSFM可以带来改善，但是不能用SSFM取代标准布线、滤波和屏蔽等方法。

　　表1：目前规定的各种带宽一览表。

　　除了要考虑系统内的EMC问题，所有系统都需要通过管理机构规定的EMC测试，这样才能进入市场销售。在管理机构规定的EMC测试中，测试设备的带宽按照严格定义的标准设定(CISPR 16-1)，这些标准反映人们感兴趣的实际带宽。管理机构首先使用称为峰值检波器的包络检波器。合格的峰值检波器测量结果进一步用准峰值检波器处理，以根据信号的重复速率权衡信号测量的效果。很多机构还用平均检波器进行测试，简单地说，就是通过频率非常低的低通滤波器处理峰值检波后的输出。

　　前面讨论的各种机制在这里也同样起作用。具体地说，通过限制辐射在测量频带内停留的时间，SSFM降低了峰值检波器的测量值。如果辐射不常进入测量频带，用准峰值检波器会带来进一步改善，而且用平均检波器甚至会带来更大的改善，因为平均带内时间缩短了。

　　本文小结

　　使用多个开关稳压器时，多相同步具有显而易见的好处(如降低EMI)。至于SSFM在降低EMI方面的作用，这取决于人们感兴趣的带宽。SSFM不能取代合适的设计，但是这种方法可以带来改善，以符合有关EMC的规定。多相同步和SSFM实施起来都很简单。采用凌力尔特公司的LTC6908，其标称开关频率可以用单个电阻设置，扩频量是固定在的±10%，输出之间的相位关系也是固定的。用户只要在3个调制频率中选定一个，SSFM就启动了，因此从SSFM获益就像“按开关”一样容易。