采用頻率抖動技術減小EMI

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  用頻率抖動技術減小EMI [轉帖]
采用頻率抖動技術減小EMI

通過在芯片PWM控製電路中使用頻率調整環節來減小開關電源的電磁干擾，
為抑製開關電源電磁干擾提供新思路。

　　　　　　　　　　　　香港科匯有限公司盈豐分部-上海代表處   李芊

概 述

　　開關電源采用脈寬調製(PWM)控製方式，開關頻率不斷提高，其高頻開關波形含有大量諧波成分，通過傳輸線和空間電磁場向外傳播，造成傳導和輻射干擾。

　　隨著通訊及控制技術的發展,各種高頻數字電路對開關電源電磁兼容性(EMC)的要求更加嚴格，如何減小電磁干擾(EMI)成為開關電源設計中的一個難點。與常用的抗干擾技術相比，頻率抖動技術(Frequency Jitter)是一種從分散諧波干擾能量著手解決EMI問題的新方法。

　　頻率抖動技術是指開關電源的工作頻率並非固定不變，而是週期性地變化來減小電磁干擾的方法。以下用TOPGX功率集成晶片為例，結合電磁干擾的產生機理和測量方法來詳細說明頻率抖動技術的工作原理及作用。



頻率抖動技術介紹

　　TOPGX系列晶片是一種內部集成了PWM控制電路和MOSFET的功率晶片,工作頻率為132kHz，並週期性地以132kHz為中心上下變動4kHz。在4ms週期(頻率為250Hz)內，完成一次從128 kHz至136 kHz之間的頻率抖動，其頻率變化和開關電壓波形如圖1所示



圖1︰頻率抖動示意圖

　　採用相同外圍電路進行對比測量,當初級峰值電流相同時，應用了頻率抖動技術的電源其EMI測量結果如圖2右圖所示,未採用頻率抖動技術的電源其EMI測量結果如圖2左圖所示，透過比較左右兩圖的準峰值 (QP)和平均值(AV)，明顯可以看出，未採用頻率抖動技術時，各次諧波較窄而且離散，幅值在諧波頻率處較高；採用頻率抖動技術時，諧波幅值降低並且變得平滑，高次諧波接近連續附應。減小EMI的效果十分顯著。
圖2︰EMI傳導測量對比

分析頻率抖動技術的工作原理時，先要解釋EMI測試標準及其測量原理。



電磁干擾測試標準及原理

　　國際無線電干擾特別委員會(CISPR),美國聯邦通信委員會(FCC)分別製定的CISPR22和FCC標準,分別應用于歐洲和北美。歐洲EN55022標準等同于CISPR22標準。A級為工業級，B級為民用級，B級標準比A級標準嚴格。其中150kHz-30MHz為傳導測量範圍，30MHz-1GHz為輻射測量範圍，如圖3所示。

　

圖3︰EN55022A級和B級標準　
　　 測量電磁干擾的原理是用干擾分析儀將噪聲信號中的頻率分量，以一定的通頻帶選擇出來，予以顯示和記錄，當連續改變設定頻率時就能得到噪聲信號的頻譜。干擾分析儀以9kHz頻寬掃描整個頻帶，測量出噪聲信號的準峰值和平均值，如圖4所示。





頻率抖動技術工作原理

　　對噪聲信號進行諧波分析，可得出諧波波形中各次諧波的幅值和相角。在電磁兼容性技術中，所關心的只是噪聲幅值必須要在規定限度內。各次諧波幅值隨頻率的分佈稱為幅密度頻譜。在頻率f1處，頻帶寬為Δf的諧波幅度為F(f1)Δf，如圖5所示。


　　週期干擾信號的頻譜為離散型，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倍。採用頻率抖動技術后，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，在整個頻帶上保證了幅值裕量，從而滿足電磁兼容性要求。

　　採用頻率抖動技術后，噪聲信號的準峰值(QP)隨頻率增加變動不大，下降約2dB，而噪聲信號的平均值(AV)隨頻率增加下降十分明顯，所以頻率抖動技術在高頻段效果更顯著，如圖7所示。實現頻率抖動技術需要為PWM發生器中的振蕩器設置頻率調整環節。



頻率抖動技術與其它方法的比較

頻率抖動技術相反相成，並具有更突出的優點，如下文所示。

　　形成開關電源電磁干擾的三個條件是干擾源、耦合途徑、受擾設備。因此常用的抑制電磁干擾方法有以下幾種︰(1)採用濾波元件，如共模電感、X1和Y1電容，X1電容用于輸入線間濾波，Y1電容故障時只會斷路而不會短路，因此用于初次級電路間；(2)採用變壓器內部加屏蔽繞組，外包屏蔽銅帶，並將磁芯接地等方法；(3)在高頻開關 (MOSFET和次級整流二極體) 上加Snubber電路，減小dv/dt和di/dt；(4)透過完善PCB設計，減小有高頻電流回路的面積，高頻元件採用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，採用共模電感、X1和Y1電容受到體積、成本的制約；變壓器抗干擾技術增加了變壓器的繞製難度，絕緣也要十分小心；高頻開關上加Snubber電路會降低電源的效率，增加高頻開關的損耗；而PCB設計需要豐富的經驗，並要考慮到方便產品製造(如機插元件要求水準佈置等)。相比之下，頻率抖動技術採用功率半導體集成晶片內部電路來改善EMI，高效而且可靠；使用中不依靠電源設計人員的經驗，無需增加體積並能節省外圍元件的成本，也不會對電源的效率帶來任何負面影響，更不會給電源產品的製造增加任何不便。



總結

　　頻率抖動技術是一種透過改善控制技術獲得性能優化的新方法，首先在高頻數字電路中開始使用，現下已被集成開關電源晶片所採用，大量應用于小功率開關電源產品中，為抑制開關電源電磁干擾提供了新思路。

jacky

好久以前就知道这个了哟，怎么现在还来说呀，还说是新技术呀

amo

呵呵，这个技术是比较久了。

是为了骗骗频谱仪和接收机 而做的设计。

实际的能量 依然存在。

to0118

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cmj6362569

[s:23]  [s:23] 谢谢很有帮助