由于開關(guān)穩(wěn)壓器能夠極大地節(jié)省空間并具有極低的功耗,因此這種穩(wěn)壓器正在逐步取代線性穩(wěn)壓器,而進入各種新型應(yīng)用中。但是,開關(guān)穩(wěn)壓器有一個缺點,其內(nèi)部開關(guān)電流可能產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。EMI的峰值能量集中在開關(guān)頻率上,降低EMI的傳統(tǒng)方法是謹(jǐn)慎處理接地、屏蔽和濾波。這些降低EMI的方法以控制和抑制穩(wěn)壓器內(nèi)部開關(guān)電流所產(chǎn)生的輻射為主。降低開關(guān)電流的幅度和改變頻率也能降低EMI。確切地說,多相同步和擴展頻譜頻率調(diào)制(SSFM)是降低EMI的兩種強有力的工具。
多相同步技術(shù)
采用多個同步開關(guān)取代單個開關(guān)可以降低峰值開關(guān)電流。這種方法就是多相同步,通過從外部驅(qū)動開關(guān)來實現(xiàn),它用一個外部時鐘使穩(wěn)壓器之間產(chǎn)生相移。多相同步將每個開關(guān)的接通時間錯開,這樣在以前是死區(qū)的地方就有了輸入電流。圖1顯示的是用單個200kHz時鐘工作的兩個開關(guān)穩(wěn)壓器的電源電流。左圖顯示的是未采用時鐘同步方法時的電流。右邊的圖顯示的則是讓第二個穩(wěn)壓器時鐘有180°相移時的電流,結(jié)果在兩倍頻(400kHz)上出現(xiàn)了較小的峰值電流,因此峰值EMI也較小。由于EMI現(xiàn)在于兩倍頻上,所以可以進一步降低,因為在較高頻率上濾波更有效。通過將時鐘信號相位劃分成多個相位增量,可以同步更多的穩(wěn)壓器,而每增加一個穩(wěn)壓器都會使EMI降低一些。很多兩相和多相穩(wěn)壓器都通過內(nèi)置時鐘相移來實施多相同步。
利用外部時鐘實現(xiàn)多相同步允許多個兩相或多相穩(wěn)壓器同步,而且根據(jù)電源要求需使用多個獨立的穩(wěn)壓器時,有時也必須用外部時鐘進行多相同步。硅振蕩器非常適用于這類應(yīng)用,因為硅振蕩器能夠提供多個頻率和相位可編程的輸出。
應(yīng)該提到的是,多相同步的好處遠不止于改善EMI。使用多個并聯(lián)的同步穩(wěn)壓器的一個基本作用是消除輸入和輸出的紋波電流,從而允許使用尺寸小得多的輸入和輸出電容器。多相解決方案具有較小的等效電感,因此可以實現(xiàn)較高的電流轉(zhuǎn)換率。就負(fù)載瞬態(tài)而言,多相解決方案還具有較短的開關(guān)延遲時間。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)得到改善以后,所需的輸出電容可以進一步減小。
圖1:未采用和采用相位同步的兩個開關(guān)穩(wěn)壓器的電源電流。
擴展頻譜頻率調(diào)制
對EMI的最大改善可以通過不斷改變開關(guān)的時鐘頻率來實現(xiàn)。這種方法叫做SSFM,它改善EMI的道理是,不允許輻射的能量在任何接收器頻帶內(nèi)長時間停留。開關(guān)穩(wěn)壓器采用SSFM的有效性取決于頻率擴展量(典型值為±10%)和調(diào)制方式。
大多數(shù)開關(guān)都產(chǎn)生隨頻率變化的紋波,開關(guān)頻率越低、紋波越大,開關(guān)頻率越高、紋波越小。因此,如果開關(guān)時鐘是頻率調(diào)制的,那么開關(guān)的紋波就產(chǎn)生幅度調(diào)制。如果時鐘的調(diào)制信號是周期性的,如正弦波或三角波,那么就會出現(xiàn)周期性紋波調(diào)制,而且在調(diào)制頻率處出現(xiàn)一個截然不同的頻譜分量。因為調(diào)制頻率遠低于開關(guān)的時鐘頻率,因此可能難以濾除。這有可能導(dǎo)致系統(tǒng)問題,如出現(xiàn)可聽單音或可見干擾,引起電源噪聲耦合或下行電路電源抑制受限問題。
偽隨機頻率調(diào)制可以避免這種周期性紋波。采用偽隨機頻率調(diào)制方法時,開關(guān)穩(wěn)壓器的時鐘以偽隨機方式從一個頻率轉(zhuǎn)移到另一個頻率。由于開關(guān)輸出紋波的幅度是由一個類似噪聲的信號調(diào)制,因此輸出看起來好像沒有調(diào)制一樣,對下行系統(tǒng)的影響也微不足道。頻率轉(zhuǎn)移的速度或稱跳變速率越快,開關(guān)在給定頻率上工作的時間就越短(如圖2所示),就給定接收器而言,EMI在“帶內(nèi)”的時間也就越短。
圖2:偽隨機調(diào)制和LTC6908跟蹤濾波器的作用。
不過,開關(guān)能跟得上的頻率變化速度(df/dt)是有限的。時鐘頻率突變時,在時鐘頻率的過渡邊緣將出現(xiàn)輸出尖峰(與負(fù)載階躍響應(yīng)非常類似)。較低的帶寬開關(guān)其尖峰更加顯著。出于這個原因,凌力爾特公司最新的SSFM振蕩器LTC6908中含有一個專有跟蹤濾波器,用以平滑從一個頻率向下一個頻率的過渡。大多數(shù)開關(guān)的帶寬都是標(biāo)稱開關(guān)頻率的1/10至1/20,這剛好適合LTC6908,LTC6908的缺省調(diào)制速率為標(biāo)稱時鐘頻率的1/16。就帶寬有限的開關(guān)而言,LTC6908的調(diào)制速率可以降低至標(biāo)稱時鐘頻率的1/32或甚至1/64,以確保恰當(dāng)?shù)胤€(wěn)壓。內(nèi)部濾波器跟蹤跳變速率,以在所有頻率和調(diào)制速率上實現(xiàn)最佳的平滑效果。
圖3:采用LTC6908的開關(guān)穩(wěn)壓器輸出頻譜(9kHz分辨率帶寬,峰值檢波器)。
圖4:LTC6908驅(qū)動兩個開關(guān)穩(wěn)壓器示意圖。
SSFM確實有用嗎？
在電磁兼容(EMC)領(lǐng)域,開關(guān)幾乎總是發(fā)射器,而其它所有東西都可能是接收器。在任意時刻,開關(guān)穩(wěn)壓器的峰值輻射看起來都是相同的,不管SSFM是否啟用。瞬時輻射的幅度是不變的,但是瞬時輻射的頻率確實在變。那么,SSFM怎么起作用呢？SSFM的有效性取決于頻率擴展量和頻率調(diào)制速率與接收器帶寬的相對關(guān)系。接收器要接收輻射“瞬態(tài)表征”,就需要具有無限大的帶寬,所幸的是,每個實際系統(tǒng)都只具有有限的帶寬。系統(tǒng)帶寬決定了兩個重要特性:接收器響應(yīng)的頻率范圍；在遇到EMI時接收器的響應(yīng)(其響應(yīng)時間)有多快。如果相對于系統(tǒng)的響應(yīng)時間,輻射信號不常進入測量系統(tǒng)的頻帶,而且進入以后停留時間非常短,那么EMI就會極大地降低。當(dāng)然,系統(tǒng)不同,性能提升情況也不同,而且盡管SSFM可以帶來改善,但是不能用SSFM取代標(biāo)準(zhǔn)布線、濾波和屏蔽等方法。
表1:目前規(guī)定的各種帶寬一覽表。
除了要考慮系統(tǒng)內(nèi)的EMC問題,所有系統(tǒng)都需要通過管理機構(gòu)規(guī)定的EMC測試,這樣才能進入市場銷售。在管理機構(gòu)規(guī)定的EMC測試中,測試設(shè)備的帶寬按照嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定(CISPR 16-1),這些標(biāo)準(zhǔn)反映人們感興趣的實際帶寬。管理機構(gòu)首先使用稱為峰值檢波器的包絡(luò)檢波器。合格的峰值檢波器測量結(jié)果進一步用準(zhǔn)峰值檢波器處理,以根據(jù)信號的重復(fù)速率權(quán)衡信號測量的效果。很多機構(gòu)還用平均檢波器進行測試,簡單地說,就是通過頻率非常低的低通濾波器處理峰值檢波后的輸出。
前面討論的各種機制在這里也同樣起作用。具體地說,通過限制輻射在測量頻帶內(nèi)停留的時間,SSFM降低了峰值檢波器的測量值。如果輻射不常進入測量頻帶,用準(zhǔn)峰值檢波器會帶來進一步改善,而且用平均檢波器甚至?xí)砀蟮母纳?因為平均帶內(nèi)時間縮短了。
本文小結(jié)
使用多個開關(guān)穩(wěn)壓器時,多相同步具有顯而易見的好處(如降低EMI)。至于SSFM在降低EMI方面的作用,這取決于人們感興趣的帶寬。SSFM不能取代合適的設(shè)計,但是這種方法可以帶來改善,以符合有關(guān)EMC的規(guī)定。多相同步和SSFM實施起來都很簡單。采用凌力爾特公司的LTC6908,其標(biāo)稱開關(guān)頻率可以用單個電阻設(shè)置,擴頻量是固定在的±10%,輸出之間的相位關(guān)系也是固定的。用戶只要在3個調(diào)制頻率中選定一個,SSFM就啟動了,因此從SSFM獲益就像“按開關(guān)”一樣容易。
作者:Greg Zimmer
產(chǎn)品市場工程師
凌力爾特公司
