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利用擴頻轉換技術改善開關電源轉換器中的EMI

作者: 時間:2012-11-13 來源:網絡 收藏

本文引用地址:http://www.j9360.com/article/176003.htm

  應用降低

  解決問題的另一方法雖然不會增加系統整體的能量,但會在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。就是據此來EMI的性能,現今這項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。

圖3電源中基于固定頻率和擴頻轉換的理想化頻譜


  基本上,使用在電源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,便是容許設計與在抖動范圍內固定頻率下開關的一模一樣。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。


在RCF方案中,采用偽隨機噪聲產生器來抖動頻率,頻率在fc-ΔF到fc+ΔF之間周期性隨機變化。其中fc是中間頻率,或是原本的固定開關頻率,一般都是處于100KHz~1MHz范圍內。正如之前解釋過,ΔF不會超過fc的5%~10%,每一個在這個范圍以內的頻率包括fc都具有相同的或然率,這使到原本的頻率尖峰可以轉換成一個分布于頻率抖動范圍內的較平整頻譜,正如圖3所示。原本集中在fc處的能量現在已在較低的水平下被平均分布,而頻帶范圍擴大到2?F寬。由于電源轉換器中的開關頻率是一個方波,它包含有諧波,而且理論上會出現在單倍數的頻率上,例如是3fc、5fc、7fc等如此類推,因此采用RCF方法的頻率抖動將會產生抖動諧波,而這些諧波會分別平均分布在3(fc-ΔF)到3(fc+ΔF)、5(fc-ΔF)到5(fc+ΔF)和7(fc-ΔF)到7(fc+ΔF)等如此類推的范圍內。然而,當諧波愈大,頻譜便會變得更平滑和更寬闊,原因是它將散布到更寬闊的2nΔF的范圍,其中的n代表諧波數。結果,諧波中的峰值能量將會隨著諧波數的上升而以更快的速度減少。

圖4采用頻率調制實現的擴頻使基本開關頻率的尖峰削減以及使邊帶呈現鋸齒形

  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中。

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