本期為大家?guī)淼氖恰督祲悍€(wěn)壓器中展頻實現(xiàn)方法的優(yōu)缺點》，本文介紹芯片設(shè)計人員在降壓轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)展頻時所采用的流程，以及如何將這一方法擴(kuò)展到其他系統(tǒng)。此外還將介紹常見的現(xiàn)代展頻實現(xiàn)方法及其優(yōu)缺點。

引言

在功率轉(zhuǎn)換器和其他器件中，展頻功能將窄帶信號轉(zhuǎn)換為寬帶信號，同時維持器件功能不變。通過將諧波峰值轉(zhuǎn)換為平滑的響應(yīng)以及諧波能量的相互混合，可減少器件及相關(guān)系統(tǒng)的電磁干擾 (EMI) 結(jié)果，從而改善運行狀況。展頻可將峰值和平均 EMI 掃描的峰值包絡(luò)降低多達(dá)10dBμV，這使得設(shè)計人員能夠選擇尺寸更小、成本更低的輸入 EMI 濾波器。

第一個問題是，降壓轉(zhuǎn)換器中的 EMI 來自哪里？降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點在連接到輸入電壓 (VIN) 與連接到接地端 (GND) 之間進(jìn)行高頻切換時，降壓轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換功率。占空比將開關(guān)節(jié)點上的平均電壓設(shè)置為等于所選的輸出電壓。此開關(guān)節(jié)點通過一個提供直流輸出的低通電感器-電容器濾波器進(jìn)行饋電。大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器以固定頻率 (fSW) 進(jìn)行開關(guān)，因此會在該頻率及其諧波 (n x fSW)上產(chǎn)生 EMI。來自基頻及其諧波的特征峰值有可能超出這些頻率下允許的最大 EMI 輻射。

圖 1.無展頻的固定頻率性能

在圖 1 中，隨時間推移，開關(guān)頻率 (fSW= 2.1MHz) 保持恒定。輸出紋波是平坦的；超低頻的 EMI 掃描顯示的是本底噪聲，低頻的 EMI 掃描顯示的是尖峰峰值基頻和伴隨諧波，而高頻的 EMI 掃描顯示的則是高次諧波。

圖1中的紅線表示典型 EMI 測試的限制線。在展頻降壓轉(zhuǎn)換器中，fSW發(fā)生抖動，因此，器件在一定頻率范圍內(nèi)進(jìn)行開關(guān)。例如，如果器件在抖動 ±5%的情況下以 1MHz 的頻率進(jìn)行開關(guān)，基頻發(fā)射將在0.95MHz 和 1.05MHz 之間或者在中心頻率上下50kHz 范圍內(nèi)傳播能量。二次諧波在 1.90MHz 和2.10MHz 之間或者中心頻率上下 100kHz 范圍內(nèi)傳播。

對于本例，在第 10 次或更高次諧波處，展頻開始相互融合，并且波峰已變成平坦的均能波形，該波形通常比沒有展頻的陡峭波峰頂部低 10dBμV。

以下描述內(nèi)容涵蓋了兩種常見的展頻實現(xiàn)方法，然后介紹了另外兩種改進(jìn)的方法。

一、三角調(diào)制法

三角調(diào)制法以三角形將 fSW上調(diào)和下調(diào)。典型展頻是±4% 到 ±10% (?fSW)，調(diào)制頻率為 4kHz 到 15kHz(fm)。請參閱圖 2。

優(yōu)點

該方法簡單易懂，便于實現(xiàn)。連續(xù)的上升和下降可確保沒有相同頻率的連續(xù)開關(guān)周期（這種周期將在該頻率及其相關(guān)諧波上引起尖峰）。三角調(diào)制也十分有利于將能量均勻分散到中心頻率之外，從而產(chǎn)生一個幾乎平坦的能量帶，僅在該能量帶的末端有一些波峰（波峰未在圖 2 中展示）。展頻功能能夠擴(kuò)展基頻以及高次諧波。

擴(kuò)展基頻將減小其幅度，從而使設(shè)計人員能夠選擇成本更低的輸入 EMI 濾波器。在輸入 LC 濾波器中，較低的基頻只需較小的電感和電容，即可保持在 EMI 測試限制線以下。使用三角調(diào)制可確保對基頻的這種展頻具有合理的平坦度且均勻分布。其他方法會加大中心頻率或最終頻率的權(quán)重，因而導(dǎo)致基頻和早期諧波的衰減減少。

圖 2.三角調(diào)制展頻性能

缺點

為了避免拍頻的過度重疊，三角調(diào)制頻率 (fm) 必須足夠慢，才能確保每個上升和下降具有多個開關(guān)周期。但是，高頻 EMI 掃描花費很少的時間來測量每個數(shù)據(jù)點的EMI。緩慢的上升或下降可能會使得 EMI 掃描僅測量該上升/下降的一小部分，此情況下會顯示為展頻較少的發(fā)射，從而明顯降低 ?fSW。對于分立式三角調(diào)制，緩慢升降是一個更大問題；在此情況下，上升和下降實際上是階梯形式，每一步都會開關(guān)多次。

另一個缺點是輸出電壓和輸入電壓會在三角調(diào)制頻率下形成紋波。這是由兩個因素造成的。第一個因素來自電感器電流紋波的幅度調(diào)制。較低開關(guān)頻率會產(chǎn)生較大電感器電流紋波，反之亦然，因此會在三角調(diào)制頻率 fm下在輸入端產(chǎn)生電壓紋波。第二個因素是該調(diào)幅電感器電流與控制方案（通常是峰值或谷值電流模式控制）之間的相互作用。電感器電流幅度的變化將使電感器平均電流上下移動，從而在輸出電壓和輸入電壓上引起電壓紋波。此頻率也是 fm并且通常處于可聞范圍內(nèi)，如果超低頻率噪聲與任何發(fā)聲電路（例如音頻放大器，甚至是安裝不良的印刷電路板上的陶瓷電容器）相互作用，就會產(chǎn)生可聽見的聲音。

二、假隨機(jī)調(diào)制法

假隨機(jī)調(diào)制法以假隨機(jī)方式（通過編程生成，但本質(zhì)為隨機(jī)）上調(diào)和下調(diào) fSW。一些實現(xiàn)方式會限制最大步長，以防止頻率跳得過遠(yuǎn)并在正常運行中造成過多干擾。典型的展頻范圍是 ±3% 至 ±6%，并且頻率通常在每個開關(guān)周期都會變化。在圖 3 中，請注意，開關(guān)頻率在每個開關(guān)周期都會變化，因此波形的時間標(biāo)度以微秒為單位（不同于其他方案中以毫秒為單位）。

圖 3.假隨機(jī)調(diào)制展頻性能

優(yōu)點

請注意 fSW可在短時間內(nèi)發(fā)生大范圍變化，這有助于避免發(fā)生 EMI 掃描僅掃描一小部分展頻的問題。這種大范圍跳躍會產(chǎn)生出色的高頻性能。超低頻率的 EMI 是隨機(jī)分布的，這說明如果輸出和輸入上的 EMI 耦合到發(fā)聲電路中，則不會產(chǎn)生音調(diào)。EMI 仍然存在，但已展頻，與三角調(diào)制法產(chǎn)生的單音相比，此方法產(chǎn)生的白噪聲聲音更多。

缺點

根據(jù)頻率分布和實現(xiàn)方式，基頻（和早期諧波）能量分布不佳。與使用三角調(diào)制法相比，這種分散的能量會導(dǎo)致這些頻率下的發(fā)射頻率更劇烈且更高，并且無法顯著減小輸入 EMI 濾波器的尺寸并降低成本。另一個缺點是假隨機(jī)碼型的數(shù)字性質(zhì)可能會導(dǎo)致代碼重復(fù)。如果隨機(jī)發(fā)生器最終在多個周期內(nèi)以相同頻率進(jìn)行開關(guān)，該時間內(nèi)的展頻看起來似乎處于關(guān)閉狀態(tài)。確保實現(xiàn)過程中沒有重復(fù)代碼、使用大量不同的步驟或?qū)崿F(xiàn)真正隨機(jī)的模擬步驟，以免形成展頻已關(guān)閉的感覺。

三、展頻與展頻相加

三角和假隨機(jī)方法能夠消除固有的開關(guān)峰值，但是存在非理想情況；前面討論過的調(diào)制會使某些峰值穿過或?qū)е缕渌肼暫头逯?。展頻與展頻相加將有助于減少或消除這些有害的峰值和噪聲。

首先從三角調(diào)制法開始，但是將調(diào)制增加到三角調(diào)制。此種增加做法會導(dǎo)致三角頻率(fm) 隨時間變化，從而將可聞噪聲尖峰從音調(diào)展頻到噪聲。在該波形頂部添加了一些假隨機(jī)調(diào)制（如圖 4 所示）。

圖 4.展頻與展頻相加性能

優(yōu)點

低頻可聞噪聲將從音調(diào)擴(kuò)展至來自調(diào)制三角和假隨機(jī)調(diào)制的噪聲?；l和早期諧波通過三角調(diào)制法均勻展頻，可減小輸入 EMI 濾波器的尺寸和成本。高頻諧波會因附加的假隨機(jī)調(diào)制而實現(xiàn)展頻。

缺點

此方法更復(fù)雜且更難實現(xiàn)。即使將低頻噪聲進(jìn)行展頻，它仍然存在并且會在發(fā)聲電路中引起噪聲（例如白噪聲）。

四、雙隨機(jī)展頻

雙隨機(jī)展頻同展頻與展頻相加完全相同，但有一個附加功能：低頻紋波消除功能。此方法在展頻調(diào)制器與峰值或谷值電流控制電路之間增加某種通信，從而搶先調(diào)整 值或谷值電流命令值，以便消除與展頻相關(guān)的噪聲（如圖 5 所示）。

圖 5.雙隨機(jī)展頻性能

優(yōu)點

此方法消除了超低頻輸出電壓紋波以及相關(guān)的輸入電壓紋波。此方法從輸出端消除可聞噪聲，并在輸入端使此類噪聲大大降低。

缺點

根據(jù)器件的不同，會需要一個電阻器以根據(jù)運行條件調(diào)整消除效果

結(jié)論

展頻是一項出色的功能，能夠大大改善 EMI 結(jié)果，而對其他系統(tǒng)的運行幾乎沒有影響。

本文介紹的四種方法各有利弊，但是隨著設(shè)計人員對展頻優(yōu)化的深入了解，技術(shù)也在不斷改進(jìn)。憑借這些知識，就可按照特定的設(shè)計要求找到特定的方法，從而充分利用此展頻功能所帶來的各種優(yōu)勢。