利用扩频转换技术改善开关电源转换器中的EMI

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(EMI)。假如不滤除EMI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EMI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等订立的规范。本文将探讨目前常用的减弱EMI的解决方案，然后介绍应用日趋增长的扩频技术。

固定频率开关和EMI

在大多数的设计中，PWM转换器在一固定的频率下进行开关。这么设计有若干优点，其中一个优点就是传导性EMI衰减输入滤波器的设计比起可变频率系统的衰减输入滤波器的设计要更容易些。因为滤波器组件无论在任何的操作条件下都可在清晰定义的频率下处理电流。

然而，转换器的输入电流仍然可使它违反传导性EMI的限制。要清楚理解这个问题，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

这里有几种方法可减弱EMI的影响。

对于传导性EMI来说，开关电流必须经输入电容和输入EMI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EMI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C1、L1和C3组成了一个输入滤波器，而D3和D4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R2和C4以及R3和C5组成的缓冲器则分别减慢MOSFET漏源电压的振铃和输出整流器电压的振铃。

上述方法都旨在减少所产生出来的整体EMI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。 [p]

应用扩频转换技术降低EMI

解决EMI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著降低了，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fc-ΔF到fc+ΔF之间周期性随机变化。其中fc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，ΔF不会超过fc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fc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2 F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3fc、5fc、7fc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(fc-ΔF)到3(fc+ΔF)、5(fc-ΔF)到5(fc+ΔF)和7(fc-ΔF)到7(fc+ΔF)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2nΔF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。

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100kHz~1MHz范围内)会在1KHz~2KHz的范围内于频率fm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2ΔF = (ΔF+fc)-(ΔF-fc)。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调制频率的变化过程。正如图4所示，fm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EMI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EMI的规格。 [p]

总之，由于效率高且成本经济，扩频转换抑制EMI的技术将会更广泛的应用到开关电源中。