利用扩频转换技术改善开关电源转换器中的EMI

利用扩频转换技术改善开关电源转换器中的EMI 利用扩频转换技术改善开关电源转换器中 的EMI 利用扩频转换技术 改善开关电源转换器中的EM_ 作者:LHaachitabaMweene,美国国家半导体公司 电源中的EMI 高频开关式脉冲宽度调制 (PWM)AC/DC和DC/DC电源转换 器因其效率高,体积小.现已成为大 部分系统的首选电源.可是这类转 换器也有一个不足之处:它会在开关 频率和谐振频率下产生传导性和辐射 性的电磁干扰(EM1).假如不滤除EMl 电流和电压.那它们便会损害到转换 器的电源并干扰使用同一个电源的其 他设备.辐射性EMl会影响和干扰正 在附近工作的设备.很多时候.EMI 的影响导致转换器违反FCC和 CISPR等订立的.本文将探讨目 前常用的减弱EMl的解决.然后 介绍应用日趋增长的扩频技术. 性EMl的限制.要清楚理解这个问. 请考虑图1中的典型DC/DC反激转 换器.假设连续的传播都不会减低其 一 般性.那MOSFET电流便呈现梯形 状,这是由于有傅里叶在开关频率和 其谐波处渗入到了成份内.这些傅里 叶成份如果流入转换器的电源便会超 出业界规范的限制. 此外.由于电压和电流波形在开 关频率下的边缘很尖锐.因此电源将 会在开关频率fs和其谐波时放射出电 磁能量.这些辐射性放射(即使是从 一 个低瓦电源放射出来)可损害包含 有灵敏电路的小型电子系统,使在附 近的电路发生故障. 减弱EMI的几种常规技术 固定频率开关和EMI这里有几种方法可减弱EMl的 在大多数的中,PWM转换影响. 器在一固定的频率下进行开关.这么对于传导性EMl来说.开关电流 设计有若干优点.其中一 必须经输入电容和输入EMl滤波器进 行低通滤波,使它们可在到达电源时 被大幅衰减.可是,这种过滤并不彻 底.而且经常会遗留一定程度的开关 电流使得系统不能通过传导性的EMl 测试. 使用在MoSFET和二极管电源 开关中的辐射性EMI缓冲器可以减慢 开关波形的上升和下降时间.并整形 谐波电流和电压的频谱以使系统更 易符合规格标准.另一方面.缓冲器 会消耗一些能量.使得辐射性放射出 来的能量减少.降低电源的效率. 另一种减弱EMI的方法是将电 源放置在一个金属箱内以封锁辐射性 噪声.或可以将受影响的设备密封或 与产生噪声的电源隔离.这两个方案 可以相互替代.也可以一起配合使 用.辐射性EMI也可通过改善电源的 布局来降低.这些技术的操作原理已 个优点就是传导性EMl.,.一一 衰减输入滤波器的设计比C 起可变频率系统的衰减输一._——T—: 入滤波器的设计要更容易刮, 些.因为滤波器组件无论,,…——一—= 在任何的操作条件下都可IQI 在清晰定义的频率下处理 电流..0f/t 然而.转换器的输入____ 电流仍然可使它违反传导图l,基本的反激转换器表示出没有滤波的MOSFET电 流 在图2中说明,当中采用 了输入滤波器,缓冲器和 金属箱.其中C,L和C 组成了一个输入滤波器. 而D.和D则组成一个箝 位电路以减轻因变压器泄 漏电感而造成的电压尖 峰.分别由R和C以及 R.和C组成的缓)中器则 分别减慢M0SFET漏源电 压的振铃和输出整流器电 www,EDNChIna,com R3C5 【一一一一一一一一一一一一一re_一一一 圈2,反激开关电源设计中的EMI缓和技术 压的振铃. 上述方法都旨在减少所产生出来 的整体EMl能量.但是除了最后一种 方法外.大多数方法都会使电源供应 器的尺寸加大.成本更高和复杂性更 大.效率也会降低.甚至得不偿失. 应用扩频转换技术降低EMI 解决EMl问题的另一方法虽然 不会增加系统整体的能量.但会在 EMI频谱峰值时不可避免的产生过多 能量.一般来说.电源不能通过EMI 测试不是因为它们产生出过量的干扰 能量.而是这些能量过于集中在某几 个频率或超出了狭窄的频带.扩频转 换技术就是据此来改善EMI的性能. 现今这项技术已被广泛应用到通信系 统和消费设备上.这个方法能够将集 中在少数频率点或频带上的能量再重 新分布到较宽阔的频带上.这样便可 降低在所有频率下的电流和电压的平 均峰值.并同时保持波形的整体能量 水平. 基本上.使用在电源转换器的扩 频转换技术会周期性地改变或抖动开 关频率.这种改变使得频谱内原本处 于开关频率和其谐波的一连串大尖峰 变换成一个比较平滑和持续性更强的 频谱,其中峰值较低且排列得较密. 出现的频率数量较多.采用不同的实 现方法.峰值可以比原先开关频率时 的减少20dB.其中最大和最麻烦的 尖峰通常都可被处理掉. 在实际应用中.通常所采用的频 率变化都不会超出10%.足以展示出 扩频转换的优点.这种变化限制有一 个莫大的好处.便是容许转换器设计 与在抖动范围内固定频率下开关的转 换器一模一样.转换器的功率组件维 持不变.因此开关损耗和效率都是一 样的.由于每一个频率组件的值相较 以前的都显着降低了.因此可使用相 同的.甚至更简单更便宜的滤波器. 扩频转换是一种可改善EMI性能 的低成本方法.原因是无需在电路上 加入任何的电源组件.而且不需增大 其尺寸或等级.这项技术可以作为电 源管理电路的固有特色.其实现的代 价也很低.目 前.市面上主 要的电路供应 商已开始在他. 们的产品中采 用扩频技术 (参考文献1). 扩频技术的 实现 电源中最常用的两种扩频实现方 法是随机载频(RCF)和频率调制. 在RCF方案中.采用伪随机噪声 产生器来抖动频率.频率在f-AF到 f+AF之间周期性随机变化.其中f 是中间频率.或是原本的固定开关频 率.一般都是处于100KHz,1MHz范 围内.正如之前解释过.AF不会超 过f的5%,10%.每一个在这个范围 以内的频率包括fc都具有相同的或 然率.这使到原本的频率尖峰可以转 换成一个分布于频率抖动范围内的较 平整频谱.正如图3所示.原本集中 在f一处的能量现在已在较低的水平下 被平均分布.而频带范围扩大到27F 宽.由于电源转换器中的开关频率是 一 个方波.它包含有谐波.而且理论 上会出现在单倍数的频率上.例如是 3f,5f,7f等如此类推.因此采用 RCF方法的频率抖动将会产生抖动谐 波.而这些谐波会分别平均分布在3 (f-AF)~IJ3(f+?F),5(f一AF)到5 (f+AF)和7(f-AF)至07(f+?F)等 如此类推的范围内.然而.当谐波愈 大.频谱便会变得更平滑和更宽阔. 原因是它将散布到更宽阔的2nAF的 范围.其中的n代表谐波数.结果.谐 波中的峰值能量将会随着谐波数的上 升而以更快的速度减少.磅 Is.tforfixedrre... Spectrumforditheredswitching 3(,一AF)3/3(+AF)s/ 5(L+AF 圈3,电源中基于固定频率和扩频转换的理想化频谱 www.EDNChina.corn . 一 一 一 一 . , ll^ 伽固定频率转换和抖动转换的 频谱的频谱 另一种抖动技术——"频率调 制"是商用电源管理集成电路中所常 采用的扩频实现技术.例如美国国家 半导体的LM3370(参考文献2).采 用这个方法,固定开关频率(典型值 同样是介乎1OOkHz,1MHz范围内) 会在1KHz,2KHz的范围内于频率f一 下被调制.产生出一个宽带频率调制 波形,其频谱会在基本开关频率的周 围出现较低和较高的边带,而带宽为 2AF=(AF+f)一(AF— f).换句话说.在原本固 定开关频率下的原本高幅 度频谱会被群集在调制前 谱线周围的较低幅度边带 所取代.FM技术的频谱 可以设计成与RCF方案 类似,而且亦可由图3来 表示.然而.频谱组合和 边带的波形精度会取决于 fc+ fc一 调制频率的变化过程.正如图4所示, f一 的最佳调制模式会使得固定幅度的 边带波形呈现锯齿状.现在.转换器 可以较容易地通过EMl测试.与RCF 的情况类似.在每一个谐波频率处的 边带宽度会与谐波数n成正比.而相 邻谐波的边带会逐渐重叠,使频谱变 得比较平滑.同时提高噪声地而带 有的峰值比起原本固定频率谐波的低 很多.结果.开关能量在频率范围内 的分布将更加平均,使电源更容易符 合EMl的规格. r'……7 ….….…. r t??????? 总之,由于效率高且成本经济. 扩频转换抑制EMl的技术将会更广泛 的应用到开关电源中.印嘲 参考文献 jS()1(aj0hi50nYanYEn ReganZoneCUstomspectral st~api!1gforEMIredLictioninelec, 竹0"IC西(]lIasP;ocADF:r'..~2004,第 }j?142文 21M3370珑0:E薹攀功甏 薛穆:尊曹,7i,DC0C哄嚣,芰国匡 图4,采用频率调制实现的扩频使基本开关频率的尖峰削减,以及使边带呈 现锯齿形. 一 曩故表2006年 7期 :jri—和DChen Reauctior1ofpower suppiyemJssior1byfre quer,eynodulation, }EETransaet;0ns0n PowerE{cnonics,1994 0薯冬第一刮第132一 ?370 ,^,,.EDNChina.corn