| 概 述 開(kāi)關(guān)電源采用脈寬調(diào)制(PWM)控制方式,開(kāi)關(guān)頻率不斷提高,其高頻開(kāi)關(guān)波形含有大量諧波成分,通過(guò)傳輸線和空間電磁場(chǎng)向外傳播,造成傳導(dǎo)和輻射干擾。 隨著通訊及控制技術(shù)的發(fā)展,各種高頻數(shù)字電路對(duì)開(kāi)關(guān)電源電磁兼容性(EMC)的要求更加嚴(yán)格,如何減小電磁干擾(EMI)成為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。與常用的抗干擾技術(shù)相比,頻率抖動(dòng)技術(shù)(Frequency Jitter)是一種從分散諧波干擾能量著手解決EMI問(wèn)題的新方法。 頻率抖動(dòng)技術(shù)是指開(kāi)關(guān)電源的工作頻率并非固定不變,而是周期性地變化來(lái)減小電磁干擾的方法。以下用TOPGX功率集成芯片為例,結(jié)合電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理和測(cè)量方法來(lái)詳細(xì)說(shuō)明頻率抖動(dòng)技術(shù)的工作原理及作用。 頻率抖動(dòng)技術(shù)介紹 TOPGX系列芯片是一種內(nèi)部集成了PWM控制電路和MOSFET的功率芯片,工作頻率為132kHz,并周期性地以132kHz為中心上下變動(dòng)4kHz。在4ms周期(頻率為250Hz)內(nèi),完成一次從128 kHz至136 kHz之間的頻率抖動(dòng),其頻率變化和開(kāi)關(guān)電壓波形如圖1所示。 
圖1：頻率抖動(dòng)示意圖 采用相同外圍電路進(jìn)行對(duì)比測(cè)量,當(dāng)初級(jí)峰值電流相同時(shí),應(yīng)用了頻率抖動(dòng)技術(shù)的電源其EMI測(cè)量結(jié)果如圖2右圖所示,未采用頻率抖動(dòng)技術(shù)的電源其EMI測(cè)量結(jié)果如圖2左圖所示,通過(guò)比較左右兩圖的準(zhǔn)峰值(QP)和平均值(AV),明顯可以看出,未采用頻率抖動(dòng)技術(shù)時(shí),各次諧波較窄而且離散,幅值在諧波頻率處較高;采用頻率抖動(dòng)技術(shù)時(shí),諧波幅值降低并且變得平滑,高次諧波接近連續(xù)響應(yīng)。減小EMI的效果十分顯著。 
圖2：EMI傳導(dǎo)測(cè)量對(duì)比 分析頻率抖動(dòng)技術(shù)的工作原理時(shí),先要解釋EMI測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及其測(cè)量原理。 電磁干擾測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及原理 國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)(CISPR),美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)分別制定的CISPR22和FCC標(biāo)準(zhǔn),分別應(yīng)用于歐洲和北美。歐洲EN55022標(biāo)準(zhǔn)等同于CISPR22標(biāo)準(zhǔn)。A級(jí)為工業(yè)級(jí),B級(jí)為民用級(jí),B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)比A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。其中150kHz-30MHz為傳導(dǎo)測(cè)量范圍,30MHz-1GHz為輻射測(cè)量范圍,如圖3所示。 
圖3：EN55022A級(jí)和B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
測(cè)量電磁干擾的原理是用干擾分析儀將噪聲信號(hào)中的頻率分量,以一定的通頻帶選擇出來(lái),予以顯示和記錄,當(dāng)連續(xù)改變?cè)O(shè)定頻率時(shí)就能得到噪聲信號(hào)的頻譜。干擾分析儀以9kHz頻寬掃描整個(gè)頻帶,測(cè)量出噪聲信號(hào)的準(zhǔn)峰值和平均值,如圖4所示。
 頻率抖動(dòng)技術(shù)工作原理 對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行諧波分析,可得出諧波波形中各次諧波的幅值和相角。在電磁兼容性技術(shù)中,所關(guān)心的只是噪聲幅值必須要在規(guī)定限度內(nèi)。各次諧波幅值隨頻率的分布稱為幅密度頻譜。在頻率f1處,頻帶寬為Δf的諧波幅度為F(f1)Δf,如圖5所示。 
周期干擾信號(hào)的頻譜為離散型,各譜線高度為二次諧波、三次諧波…的幅值,各譜線間的距離為基波頻率的整數(shù)倍。采用頻率抖動(dòng)技術(shù)后,基波頻率變化幅值為±4kHz,二次諧波為±8kHz…,n次諧波為±4nkHz。如圖六所示,諧波次數(shù)越高,頻率分散越大。這樣,噪聲諧波頻率分散,使各次諧波在f1處能量的疊加降低,噪聲能量得以分散、減小,在整個(gè)頻帶上保證了幅值裕量,從而滿足電磁兼容性要求。 
采用頻率抖動(dòng)技術(shù)后,噪聲信號(hào)的準(zhǔn)峰值(QP)隨頻率增加變動(dòng)不大,下降約2dB,而噪聲信號(hào)的平均值(AV)隨頻率增加下降十分明顯,所以頻率抖動(dòng)技術(shù)在高頻段效果更顯著,如圖7所示。實(shí)現(xiàn)頻率抖動(dòng)技術(shù)需要為PWM發(fā)生器中的振蕩器設(shè)置頻率調(diào)整環(huán)節(jié)。 頻率抖動(dòng)技術(shù)與其它方法的比較 頻率抖動(dòng)技術(shù)相輔相成,并具有更突出的優(yōu)點(diǎn),如下文所示。 形成開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的三個(gè)條件是干擾源、耦合途徑、受擾設(shè)備。因此常用的抑制電磁干擾方法有以下幾種：(1)采用濾波元件,如共模電感、X1和Y1電容,X1電容用于輸入線間濾波,Y1電容故障時(shí)只會(huì)斷路而不會(huì)短路,因此用于初次級(jí)電路間;(2)采用變壓器內(nèi)部加屏蔽繞組,外包屏蔽銅帶,并將磁芯接地等方法;(3)在高頻開(kāi)關(guān) (MOSFET和次級(jí)整流二極管) 上加Snubber電路,減小dv/dt和di/dt;(4)通過(guò)完善PCB設(shè)計(jì),減小有高頻電流回路的面積,高頻元件采用Kelvin接法等。
 這些方法可以有效地抑制電磁干擾,但每種方法都有其局限性,采用共模電感、X1和Y1電容受到體積、成本的制約;變壓器抗干擾技術(shù)增加了變壓器的繞制難度,絕緣也要十分小心;高頻開(kāi)關(guān)上加Snubber電路會(huì)降低電源的效率,增加高頻開(kāi)關(guān)的損耗;而PCB設(shè)計(jì)需要豐富的經(jīng)驗(yàn),并要考慮到方便產(chǎn)品制造(如機(jī)插元件要求水平布置等)。相比之下,頻率抖動(dòng)技術(shù)采用功率半導(dǎo)體集成芯片內(nèi)部電路來(lái)改善EMI,高效而且可靠;使用中不依靠電源設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn),無(wú)需增加體積并能節(jié)省外圍元件的成本,也不會(huì)對(duì)電源的效率帶來(lái)任何負(fù)面影響,更不會(huì)給電源產(chǎn)品的制造增加任何不便。 總結(jié) 頻率抖動(dòng)技術(shù)是一種通過(guò)改善控制技術(shù)獲得性能優(yōu)化的新方法,首先在高頻數(shù)字電路中開(kāi)始使用,現(xiàn)在已被集成開(kāi)關(guān)電源芯片所采用,大量應(yīng)用于小功率開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品中,為抑制開(kāi)關(guān)電源電磁干擾提供了新思路。 |
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