频率抖动技术如何抑制开关电源的电磁干扰？

引言

开关电源以其小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展中不可缺少的一种电源方式[1-3]。但是随着开关电源工作频率的不断提高，高频工作频率中所含有的高频谐波成分将会通过电源传输线或是空间电磁场的方式向外部传播，造成传导干扰和辐射干扰[4， 5]。近年来伴随通讯及控制技术的发展，各种高频数字电路对开关电源电磁兼容性(EMC)的要求更加严格，如何减小电磁干扰(EMI)已经成为开关电源设计中的一大难点。

目前提出的一些降低开关电源电磁干扰技术，例如：PWM 随机开关调制技术和混沌调制技术，电路结构都相对复杂且实现成本大。本文中所采用的频率抖动技术相对以上两种技术实现相对简单，其原理是：通过将固定的开关工作频率设为在一定范围内抖动的频率，使得本该集中在固定频率处的辐射频谱分散到所设定的频带范围，以降低辐射电平满足电磁兼容性的要求。

1 周期性频率抖动振荡器

1.1 振荡器的系统结构框图

本文所设计的周期性频率抖动振荡器[6，7]的系统框图如

图1：振荡器系统框图

由图1可以看出，频率抖动振荡器由一个张弛振荡器加上一个频率抖动模块构成。其工作原理：首先，开关 S1闭合，电流源 I0给电容 Cc充电，充电刚开始时电容 Cc上极板的电压小于 BG1和 BG2，RS 触发器的输出被置为低电平 0，当电容上极板电压 VA大于 BG2时，RS 触发器的输出状态处于保持状态，直到上极板电压 VA大于 BG1之后 RS 触发器的输出翻转被置为高电平1;此时，开关 S2导通，电流源 I1给电容Cc放电，当VA减小到小于 BG1时，RS 触发器的输出处于保持状态，当VA减小到小于 BG2时，RS 触发器翻转被置为低电平 0 ;于是，开关 S1又闭合开始对 Cc充电，如此周而复始，得到一个频率固定的振荡器。图1中的电流源I0、 I1的电流相等，则振荡器的占空比为 0.5。频率抖动控制模块是通过计数器来周期性的切换加入到张弛振荡器中充放电电容的大小，改变电压 VA的充放电速度，从而来达到周期性的改变振荡器频率的目的，即实现了振荡器频率的抖动。

1.2 张弛振荡器设计

张弛振荡器[8-10]的电路图如图 2 所示。M0、M1管镜像电流为图1中的电流源 I0，M4、M5镜像电流为图1中的电流源I1，且 I0=I1=I。M6～ M12和 C0、C1、C2、C4构成频率抖动模块，通过计数器来不断切换 MOS 开关的通断来改变充、放电电容的大小，实现频率抖动功能。 M13为振荡器提供起振条件，在电源上电后 M13管导通，经过 5 μs 后 M13管关断。使电容上电后上极板电压 VA瞬间放电将为低电平 0，RS 触发器置为0 电平，OSC 为 O 电平，M2管导通 M3管截止，电流从 M0、M1管流向电容 Cc充电，当电压 VA冲到大于 BG1时，OSC 为高电平1;此时 M2 管截止 M3 管导通，于是对电容 Cc放电，直到VA放电到低于 BG2，OSC 翻转，如此往复上述过程，即得到了一个频率固定的张弛振荡器。此振荡器的频率可以通过如下公式推导得到。

从(4)式可以看出，可以通过改变电容 Cc、充放电电流I 和电压差值 BG2- BG1能够实现任意频率的振荡器。本文中所设计的周期性频率抖动振荡器的中心频率为100 kHz，抖动范围为±4 kHz。

1.3 频率抖动控制模块

本文中所设计的频率抖动控制模块是通过计数器来控制图 2 中 M6～ M12开关管的通断来周期性的改变充放电电容的大小来实现的。频率抖动控制模块的电路图如图 3 所示，由7 个 D 触发器串联构成 512 分频触发器，第 8 个 D 触发器的输出信号加入到异或门用于实现计数器 K4，K2，K1，K0加减法计数切换，保证加入到张弛振荡器中的电容不会出现瞬时的大容值的变换，从而引起振荡器的振荡频率有过大的变化。本文中所设计振荡器的中心频率为100 kHz，频率抖动范围为±4 kHz，频率从 96 kHz，100 kHz，104 kHz 周期性地变化，频率抖动周期为 5 ms。

2 仿真结果

本文基于 BCD 0.5 μm 25 V 工艺，使用 Cadence Spectre对振荡器进行仿真。张弛振荡器未加频率抖动模块的仿真结果如图 4 所示，图中张弛振荡器的振荡频率为100 kHz，占空比为 0.5。

频率抖动模块的输出仿真波形如图 5 所示，计数器 K0，K1，K2，K4实现了加减法交替功能，从而周期性频率抖动振荡器的振荡频率为平稳的完成周期性的变化。

图2：张弛振荡器

图 6、图 7 分别为对不加频率抖动和加了频率抖动进行傅里叶分析的频谱图，对比图 6 和图 7 可以看出加了频率抖动电路之后在固定频率处的频谱幅值下降了大约11 dB，由此可见频率抖动电路对减小 EMI 的效果非常明显。

图3：频率抖动模块

图4：张弛振荡器仿真曲线

图5：频率抖动模块

图6：未加频率抖动的频谱

图7：加入频率抖动的频谱

3 结语

本文采用 BCD0.4μm 25 V 工艺设计了一款周期性的频率抖动振荡器，采用张弛振荡器实现固定频率振荡器，通过加减法计数器控制加入张弛振荡器中电容的大小来改变振荡器的频率，从而使原本集中在固定频率处的频谱分散到其它频率点上。本文所设计的周期性频率抖动振荡器的中心频率为100 kHz，频率抖动范围为±4 kHz，加频率抖动模块之后100kHz 处的频谱下降了大约11 dB，减小电磁干扰的效果非常明显。该频率抖动振荡器结构简单，且减小EMI 效果好，在开关电源芯片设计中具有非常实用的价值。