電源中的EMI

高頻開(kāi)關(guān)式脈沖寬度調(diào)制(PWM)AC/DC和DC/DC電源轉(zhuǎn)換器因其效率高、體積小，現(xiàn)已成為大部分系統(tǒng)的首選電源。可是，這類轉(zhuǎn)換器也有一個(gè)不足之處：它會(huì)在開(kāi)關(guān)頻率和諧振頻率下產(chǎn)生傳導(dǎo)性和輻射性的電磁干擾(EMI)。假如不濾除EMI電流和電壓，那它們便會(huì)損害到轉(zhuǎn)換器的電源并干擾使用同一個(gè)電源的其他設(shè)備。輻射性EMI會(huì)影響和干擾正在附近工作的設(shè)備。很多時(shí)候，EMI的影響導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器違反FCC和CISPR等訂立的規(guī)范。本文將探討目前常用的減弱EMI的解決方案，然后介紹應(yīng)用日趨增長(zhǎng)的擴(kuò)頻技術(shù)。
 
固定頻率開(kāi)關(guān)和EMI

在大多數(shù)的設(shè)計(jì)中，PWM轉(zhuǎn)換器在一固定的頻率下進(jìn)行開(kāi)關(guān)。這么設(shè)計(jì)有若干優(yōu)點(diǎn)，其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是傳導(dǎo)性EMI衰減輸入濾波器的設(shè)計(jì)比起可變頻率系統(tǒng)的衰減輸入濾波器的設(shè)計(jì)要更容易些。因?yàn)闉V波器組件無(wú)論在任何的操作條件下都可在清晰定義的頻率下處理電流。
然而，轉(zhuǎn)換器的輸入電流仍然可使它違反傳導(dǎo)性EMI的限制。要清楚理解這個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)考慮圖1中的典型DC/DC反激轉(zhuǎn)換器。假設(shè)連續(xù)的傳播都不會(huì)減低其一般性，那MOSFET電流便呈現(xiàn)梯形狀，這是由于有傅里葉在開(kāi)關(guān)頻率和其諧波處滲入到了成份內(nèi)。這些傅里葉成份如果流入轉(zhuǎn)換器的電源便會(huì)超出業(yè)界規(guī)范的限制。

圖1：基本的反激轉(zhuǎn)換器表示出沒(méi)有濾波的MOSFET電流 

此外，由于電壓和電流波形在開(kāi)關(guān)頻率下的邊緣很尖銳，因此電源將會(huì)在開(kāi)關(guān)頻率fs和其諧波時(shí)放射出電磁能量。這些輻射性放射(即使是從一個(gè)低瓦電源放射出來(lái))可損害包含有靈敏電路的小型電子系統(tǒng)，使在附近的電路發(fā)生故障。

減弱EMI的幾種常規(guī)技術(shù)

這里有幾種方法可減弱EMI的影響。

對(duì)于傳導(dǎo)性EMI來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電流必須經(jīng)輸入電容和輸入EMI濾波器進(jìn)行低通濾波，使它們可在到達(dá)電源時(shí)被大幅衰減?？墒牵@種過(guò)濾并不徹底，而且經(jīng)常會(huì)遺留一定程度的開(kāi)關(guān)電流使得系統(tǒng)不能通過(guò)傳導(dǎo)性的EMI測(cè)試。

使用在MOSFET和二極管電源開(kāi)關(guān)中的輻射性EMI緩沖器可以減慢開(kāi)關(guān)波形的上升和下降時(shí)間，并整形諧波電流和電壓的頻譜，以使系統(tǒng)更易符合規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，緩沖器會(huì)消耗一些能量，使得輻射性放射出來(lái)的能量減少，降低電源的效率。

另一種減弱EMI的方法是將電源放置在一個(gè)金屬箱內(nèi)以封鎖輻射性噪聲，或可以將受影響的設(shè)備密封或與產(chǎn)生噪聲的電源隔離。這兩個(gè)方案可以相互替代，也可以一起配合使用。輻射性EMI也可通過(guò)改善電源的布局來(lái)降低。這些技術(shù)的操作原理已在圖2中說(shuō)明，當(dāng)中采用了輸入濾波器、緩沖器和金屬箱。其中C1、L1和C3組成了一個(gè)輸入濾波器，而D3和D4則組成一個(gè)箝位電路以減輕因變壓器泄漏電感而造成的電壓尖峰。分別由R2和C4以及R3和C5組成的緩沖器則分別減慢MOSFET漏源電壓的振鈴和輸出整流器電壓的振鈴。

圖2：反激開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的EMI緩和技術(shù)

上述方法都旨在減少所產(chǎn)生出來(lái)的整體EMI能量。但是除了最后一種方法外，大多數(shù)方法都會(huì)使電源供應(yīng)器的尺寸加大，成本更高和復(fù)雜性更大，效率也會(huì)降低，甚至得不償失。

應(yīng)用擴(kuò)頻轉(zhuǎn)換技術(shù)降低EMI

解決EMI問(wèn)題的另一方法雖然不會(huì)增加系統(tǒng)整體的能量，但會(huì)在EMI頻譜峰值時(shí)不可避免的產(chǎn)生過(guò)多能量。一般來(lái)說(shuō)，電源不能通過(guò)EMI測(cè)試不是因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生出過(guò)量的干擾能量，而是這些能量過(guò)于集中在某幾個(gè)頻率或超出了狹窄的頻帶。擴(kuò)頻轉(zhuǎn)換技術(shù)就是據(jù)此來(lái)改善EMI的性能，現(xiàn)今這項(xiàng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到通信系統(tǒng)和消費(fèi)設(shè)備上。這個(gè)方法能夠?qū)⒓性谏贁?shù)頻率點(diǎn)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(shí)保持波形的整體能量水平。

圖3：電源中基于固定頻率和擴(kuò)頻轉(zhuǎn)換的理想化頻譜

基本上，使用在電源轉(zhuǎn)換器的擴(kuò)頻轉(zhuǎn)換技術(shù)會(huì)周期性地改變或抖動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率。這種改變使得頻譜內(nèi)原本處于開(kāi)關(guān)頻率和其諧波的一連串大尖峰變換成一個(gè)比較平滑和持續(xù)性更強(qiáng)的頻譜，其中峰值較低且排列得較密，出現(xiàn)的頻率數(shù)量較多。采用不同的實(shí)現(xiàn)方法，峰值可以比原先開(kāi)關(guān)頻率時(shí)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(shí)際應(yīng)用中，通常所采用的頻率變化都不會(huì)超出10%，足以展示出擴(kuò)頻轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)。這種變化限制有一個(gè)莫大的好處，便是容許轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與在抖動(dòng)范圍內(nèi)固定頻率下開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換器一模一樣。轉(zhuǎn)換器的功率組件維持不變，因此開(kāi)關(guān)損耗和效率都是一樣的。由于每一個(gè)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(jiǎn)單更便宜的濾波器。

擴(kuò)頻轉(zhuǎn)換是一種可改善EMI性能的低成本方法，原因是無(wú)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(jí)。這項(xiàng)技術(shù)可以作為電源管理電路的固有特色，其實(shí)現(xiàn)的代價(jià)也很低。目前，市面上主要的電路供應(yīng)商已開(kāi)始在他們的產(chǎn)品中采用擴(kuò)頻技術(shù)。

擴(kuò)頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

電源中最常用的兩種擴(kuò)頻實(shí)現(xiàn)方法是隨機(jī)載頻(RCF)和頻率調(diào)制。
 
在RCF方案中，采用偽隨機(jī)噪聲產(chǎn)生器來(lái)抖動(dòng)頻率，頻率在fc-ΔF到fc+ΔF之間周期性隨機(jī)變化。其中fc是中間頻率，或是原本的固定開(kāi)關(guān)頻率，一般都是處于100KHz~1MHz范圍內(nèi)。正如之前解釋過(guò)，ΔF不會(huì)超過(guò)fc的5%~10%，每一個(gè)在這個(gè)范圍以內(nèi)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(zhuǎn)換成一個(gè)分布于頻率抖動(dòng)范圍內(nèi)的較平整頻譜，正如圖3所示。原本集中在fc處的能量現(xiàn)在已在較低的水平下被平均分布，而頻帶范圍擴(kuò)大到2?F寬。由于電源轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)頻率是一個(gè)方波，它包含有諧波，而且理論上會(huì)出現(xiàn)在單倍數(shù)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(dòng)將會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)諧波，而這些諧波會(huì)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(nèi)。然而，當(dāng)諧波愈大，頻譜便會(huì)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(shù)。結(jié)果，諧波中的峰值能量將會(huì)隨著諧波數(shù)的上升而以更快的速度減少。

固定頻率轉(zhuǎn)換和抖動(dòng)轉(zhuǎn)換的頻譜的頻譜

圖4：采用頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)頻使基本開(kāi)關(guān)頻率的劍鋒削減，以及使邊帶呈現(xiàn)鋸齒形

另一種抖動(dòng)技術(shù)——“頻率調(diào)制”是商用電源管理集成電路中所常采用的擴(kuò)頻實(shí)現(xiàn)技術(shù)，例如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3370（參考文獻(xiàn)2）。采用這個(gè)方法，固定開(kāi)關(guān)頻率(典型值同樣是介乎100kHz~1MHz范圍內(nèi))會(huì)在1KHz~2KHz的范圍內(nèi)于頻率fm下被調(diào)制，產(chǎn)生出一個(gè)寬帶頻率調(diào)制波形，其頻譜會(huì)在基本開(kāi)關(guān)頻率的周圍出現(xiàn)較低和較高的邊帶，而帶寬為2ΔF = (ΔF+fc)-(ΔF-fc)。換句話說(shuō)，在原本固定開(kāi)關(guān)頻率下的原本高幅度頻譜會(huì)被群集在調(diào)制前譜線周圍的較低幅度邊帶所取代。FM技術(shù)的頻譜可以設(shè)計(jì)成與RCF方案類似，而且亦可由圖3來(lái)表示。然而，頻譜組合和邊帶的波形精度會(huì)取決于調(diào)制頻率的變化過(guò)程。正如圖4所示，fm的最佳調(diào)制模式會(huì)使得固定幅度的邊帶波形呈現(xiàn)鋸齒狀?，F(xiàn)在，轉(zhuǎn)換器可以較容易地通過(guò)EMI測(cè)試。與RCF的情況類似，在每一個(gè)諧波頻率處的邊帶寬度會(huì)與諧波數(shù)n成正比，而相鄰諧波的邊帶會(huì)逐漸重疊，使頻譜變得比較平滑，同時(shí)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(jié)果，開(kāi)關(guān)能量在頻率范圍內(nèi)的分布將更加平均，使電源更容易符合EMI的規(guī)格。

總之，由于效率高且成本經(jīng)濟(jì)，擴(kuò)頻轉(zhuǎn)換抑制EMI的技術(shù)將會(huì)更廣泛的應(yīng)用到開(kāi)關(guān)電源中。