使用扩频技术解决敏感模拟前端和辐射EMI的开关噪声问题

无论是IC，模块还是机箱，开关DC/DC电源和稳压器通常都比线性电源更受欢迎，并且有充分的理由。通常，它们的效率更高，从而降低了功耗和成本，延长了运行时间并减少了散热。 （注意：有些情况下线性电源可能更有效，特别是当输入/输出电压差很小时。）

但是，开关电源存在问题，这会影响许多设计。由于其固有的内部开关动作，它们比线性电源产生更多噪声。噪声频率是基础开关频率的函数，通常在100 kHz和几MHz之间，具体取决于设计和应用，并包括多个谐波。

在捕获低电平传感器信号的设计中，此噪声可能是不可接受的，必须使用额外的滤波来保持噪声远离敏感的前端。在其他设计中，例如消费产品和汽车，噪音不是系统性能本身的问题，但EMI的辐射噪声意味着该设备将无法通过相关的监管标准，如CISPR252［CISPR是法语的缩写IEC委员会的名称，称为国际无线电干扰特别委员会]。然而，由于占位面积，BOM成本，耗散或功率使用的原因，回到线性电源可能是不可接受的。幸运的是，开关电源控制IC的供应商已经设计出一种方法来最小化噪声问题。首先，它们正在减慢和管理转换器时钟和定时信号的转换速率和转换，以减少一些发射。然而，它们也走得更远：一些设计已经采用了通信频谱管理，编码和安全性中使用的技术来减轻噪声问题。这种扩频方法是在没有为用户分配固定频率或时隙的设备中使用的频率和跳时系统的基础。其他设计使用三角波进行调制，从而将时钟频率扫描到标称值以上和以下的适度范围内。

问题和原理

重要的是要清楚EMI的基本参数。三个基本因素是频谱，能量和幅度：

频谱是显而易见的：它是关注EMI的那些频率或频带。

能量是总EMI在感兴趣的范围内;请注意，能量是功率的时间积分。

幅度是在频谱中特定点测量的能量值。

当EMI源，如切换时转换器产生EMI能量，这种能量以两种方式离开：沿低阻抗路径传导（主要通过导线和PC板迹线），以及通过空气或真空辐射电磁能量。通常，当导线充当天线时，传导EMI会变成辐射EMI。

通过使用铁氧体磁珠可以减少传导EMI能量，而屏蔽可以衰减辐射能量。这些技术在许多情况下都是有效的，但每种技术都有电路板空间，装配工作和物料清单的成本。然而，即使在衰减时，EMI对于各种情况仍然可能太高。这就是扩频的来源。基本思想是采用开关转换器时钟的固定频率，并将其转换为非固定频率。这并不意味着电路只是将其改为另一个固定频率，而EMI则不那么重要。通过调制开关频率，峰值能量降低并分配到其他频率及其谐波。

有两种方法可以实现频率扩展。在最简单的方法中，三角波形控制时钟，将其扫描到标称值附近（图1）

图1：三角波形（显示）或梯形波形可用于调制切换台的时钟，从而通过频段扫描其工作频率，而不是以固定频率工作。

在更复杂但更有效的方法中，时钟频率随机抖动，尽管其标称或平均频率保持与应用扩展之前相同。这种时钟频率的抖动并不是真正随机的;相反，它是通过使用控制（调制）时钟频率的伪随机码序列来完成的（图2）。然而，为此目的，这种时钟变化是“足够随机的”。由此产生的总频谱扩展通常在标称频率的1％到10％之间（±0.5到±5％），但可能更多。

图2：先进的，但更多复杂的方法使用伪随机数字序列来抖动时钟，从而在整个跨度内均匀分布宽带工作范围（由National Instruments提供）。

对于噪声影响电路敏感部分的应用，扩频可以将EMI频率移到关注频段之外。这可以解决许多在线问题，但它并非万能的，因为EMI能量仍可能使敏感的前端过载，并将其推入非线性模式甚至饱和。但是，扩频的真正的价值在于使产品能够通过法规遵从性阈值。原因是这些阈值指定了频谱中特定点的最大EMI能量，以及频谱的规定频带内的任何位置。通过测量这些点的振幅来确定该能量。扩频扩展了频谱上的EMI能量，因此任何给定频段的值都会降低，希望低于规定限值。请注意，总EMI能量没有变化，因为没有衰减。

IC供应商嵌入功能IC供应商已经将扩频时钟调制功能集成到一些开关IC和模块中，以及时钟控制器作为一个或多个功率调节器IC的系统时钟。

凌力尔特公司提供LTC6902，这是一款精密，低功耗，易于使用的振荡器，专门用于驱动时钟输入。一个或多个开关稳压器，采用单相或多相拓扑结构（图3）

图3：凌力尔特公司的LTC6902时钟振荡器专为单相和多相电源而设计;请注意驱动DAC的9位伪随机序列发生器，后者又控制时钟频率。

振荡器标称频率范围可以在5 kHz至20 MHz的宽范围内，并由单个外部电阻设置。该IC还提供可选的基于伪随机的扩频调制模式，其跨度也由外部电阻设置。在此模式下，EMI能量的峰值幅度最多可降低20 dB（图4）。

图4：在典型设置中，扩频模式降低EMI在开关频率上的尖峰达到20 dB，因为它将能量扩展到更宽的频段。

如果您在汽车环境中工作，通常使用开关模式稳压器，您知道它们必须设计减轻他们固有的嘈杂性。这并不总是容易的，特别是因为汽车中电子设备的功率和数量正在增长。为了提供帮助，凌力尔特创建了一个视频，解释了如何在其LT3795 LED驱动器中采用扩频调频，通过使用三角形扩频实现高功率汽车LED驱动转换，强大的短路保护和降低EMI调频。在这种情况下，LED驱动器的扩频调频专门设计用于与LED驱动器配合使用，并在LED以全功率运行时以及在PWM调暗以实现亮度控制时防止可能的LED闪烁。

TPS8267x德州仪器（TI）的IC系列包括一系列完整的600 mA，DC/DC降压电源器件，适用于低功耗应用（图5）。

图5：德州仪器（TI）的TPS8267x系列低功耗DC/DC IC采用基本三角波形，以标称时钟频率为中心调制20％范围内的时钟。

频率抖动方案采用三角形分布和调制方式调制频率。 IC包括开关稳压器，电感器和输入/输出电容器;使用它不需要其他组件。扩频架构将开关频率改变了标称开关频率的大约±10％，从而显着降低了输入和输出电源上的峰值辐射和传导噪声（图6）。

图6：使用TPS8267X系列的扩频模式，辐射噪声的非调制峰现在分布在明确定义的谐波频段上。

替代视图《 br》开关DC/DC稳压器的扩频时钟可以降低整个频谱中给定频段的传导噪声和辐射EMI，从而提高电路性能并使最终产品满足法规要求。设计工程师对使用扩频技术有两种看法：有些人认为它是解决难题的有效方法，特别是面对“任意”的EMI发射标准;其他人认为这是一种“作弊”，它不能解决根本问题，只是掩饰它并可能使其成为电路和频谱其他部分的问题。

你所处的问题取决于你项目的优先事项，预算和时间紧缩。开关转换器的扩频时钟广泛且成功使用，但它无法解决所有EMI问题，必须谨慎使用并仔细考虑技术情况。总之，开关电源通常比开关电源效率高得多。较旧的线性电源，但它们有一个不可避免的缺点：它们会产生开关噪声。这种噪声有两个后果：它会影响电路性能，并且还会导致产品不符合最大产生EMI的各种监管标准。为了克服这个问题，一些切换器使用扩频技术。本文研究了敏感模拟前端和辐射EMI的开关噪声问题，在电源噪声环境中使用扩频，使用它可以（并且不能）实现的内容，并提出了两个有代表性的组件，实现扩频拓扑，但方式却截然不同。