利用擴頻轉換技術改善開關電源轉換器中的EMI
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應用擴頻轉換技術降低EMI
解決EMI問題的另一方法雖然不會增加系統整體的能量,但會在EMI頻譜峰值時不可避免的產生過多能量。一般來說,電源不能通過EMI測試不是因為它們產生出過量的干擾能量,而是這些能量過于集中在某幾個頻率或超出了狹窄的頻帶。擴頻轉換技術就是據此來改善EMI的性能,現今這項技術已被廣泛應用到通信系統和消費設備上。這個方法能夠將集中在少數頻率點或頻帶上的能量再重新分布到較寬闊的頻帶上,這樣便可降低在所有頻率下的電流和電壓的平均峰值,并同時保持波形的整體能量水平。
基本上,使用在電源轉換器的擴頻轉換技術會周期性地改變或抖動開關頻率。這種改變使得頻譜內原本處于開關頻率和其諧波的一連串大尖峰變換成一個比較平滑和持續性更強的頻譜,其中峰值較低且排列得較密,出現的頻率數量較多。采用不同的實現方法,峰值可以比原先開關頻率時的減少20dB,其中最大和最麻煩的尖峰通常都可被處理掉。
在實際應用中,通常所采用的頻率變化都不會超出10%,足以展示出擴頻轉換的優點。這種變化限制有一個莫大的好處,便是容許轉換器設計與在抖動范圍內固定頻率下開關的轉換器一模一樣。轉換器的功率組件維持不變,因此開關損耗和效率都是一樣的。由于每一個頻率組件的值相較以前的都顯著降低了,因此可使用相同的,甚至更簡單更便宜的濾波器。
擴頻轉換是一種可改善EMI性能的低成本方法,原因是無需在電路上加入任何的電源組件,而且不需增大其尺寸或等級。這項技術可以作為電源管理電路的固有特色,其實現的代價也很低。目前,市面上主要的電路供應商已開始在他們的產品中采用擴頻技術(參考文獻1)。
擴頻技術的實現
電源中最常用的兩種擴頻實現方法是隨機載頻(RCF)和頻率調制。
固定頻率轉換和抖動轉換的頻譜的頻譜
另一種抖動技術——“頻率調制”是商用電源管理集成電路中所常采用的擴頻實現技術,例如美國國家半導體的LM3370(參考文獻2)。采用這個方法,固定開關頻率(典型值同樣是介乎100kHz~1MHz范圍內)會在1KHz~2KHz的范圍內于頻率fm下被調制,產生出一個寬帶頻率調制波形,其頻譜會在基本開關頻率的周圍出現較低和較高的邊帶,而帶寬為2ΔF = (ΔF+fc)-(ΔF-fc)。換句話說,在原本固定開關頻率下的原本高幅度頻譜會被群集在調制前譜線周圍的較低幅度邊帶所取代。FM技術的頻譜可以設計成與RCF方案類似,而且亦可由圖3來表示。然而,頻譜組合和邊帶的波形精度會取決于調制頻率的變化過程。正如圖4所示,fm的最佳調制模式會使得固定幅度的邊帶波形呈現鋸齒狀。現在,轉換器可以較容易地通過EMI測試。與RCF的情況類似,在每一個諧波頻率處的邊帶寬度會與諧波數n成正比,而相鄰諧波的邊帶會逐漸重疊,使頻譜變得比較平滑,同時提高噪聲地,而帶有的峰值比起原本固定頻率諧波的低很多。結果,開關能量在頻率范圍內的分布將更加平均,使電源更容易符合EMI的規格。
總之,由于效率高且成本經濟,擴頻轉換抑制EMI的技術將會更廣泛的應用到開關電源中。
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