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频率抖动技术介绍

　　TOPGX系列芯片是一种内部集成了PWM控制电路和MOSFET的功率芯片,工作频率为132kHz,并周期性地以132kHz为中心上下变动4kHz。在4ms周期(频率为250Hz)内,完成一次从128 kHz至136 kHz之间的频率抖动,其频率变化和开关电压波形如图1所示。

图1：频率抖动示意图

采用相同外围电路进行对比测量,当初级峰值电流相同时,应用了频率抖动技术的电源其EMI测量结果如图2右图所示,未采用频率抖动技术的电源其EMI测量结果如图2左图所示,通过比较左右两图的准峰值(QP)和平均值(AV),明显可以看出,未采用频率抖动技术时,各次谐波较窄而且离散,幅值在谐波频率处较高;采用频率抖动技术时,谐波幅值降低并且变得平滑,高次谐波接近连续响应。减小EMI的效果十分显著。

图2：EMI传导测量对比

分析频率抖动技术的工作原理时,先要解释EMI测试标准及其测量原理。

电磁干扰测试标准及原理

国际无线电干扰特别委员会(CISPR),美国联邦通信委员会(FCC)分别制定的CISPR22和FCC标准,分别应用于欧洲和北美。欧洲EN55022标准等同于CISPR22标准。A级为工业级,B级为民用级,B级标准比A级标准严格。其中150kHz-30MHz为传导测量范围,30MHz-1GHz为辐射测量范围,如图3所示。

图3：EN55022A级和B级标准　
　　 测量电磁干扰的原理是用干扰分析仪将噪声信号中的频率分量,以一定的通频带选择出来,予以显示和记录,当连续改变设定频率时就能得到噪声信号的频谱。干扰分析仪以9kHz频宽扫描整个频带,测量出噪声信号的准峰值和平均值,如图4所示。

频率抖动技术工作原理

对噪声信号进行谐波分析,可得出谐波波形中各次谐波的幅值和相角。在电磁兼容性技术中,所关心的只是噪声幅值必须要在规定限度内。各次谐波幅值随频率的分布称为幅密度频谱。在频率f1处,频带宽为Δf的谐波幅度为F(f1)Δf,如图5所示。

周期干扰信号的频谱为离散型,各谱线高度为二次谐波、三次谐波…的幅值,各谱线间的距离为基波频率的整数倍。采用频率抖动技术后,基波频率变化幅值为±4kHz,二次谐波为±8kHz…,n次谐波为±4nkHz。如图六所示,谐波次数越高,频率分散越大。这样,噪声谐波频率分散,使各次谐波在f1处能量的叠加降低,噪声能量得以分散、减小,在整个频带上保证了幅值裕量,从而满足电磁兼容性要求。

采用频率抖动技术后,噪声信号的准峰值(QP)随频率增加变动不大,下降约2dB,而噪声信号的平均值(AV)随频率增加下降十分明显,所以频率抖动技术在高频段效果更显著,如图7所示。实现频率抖动技术需要为PWM发生器中的振荡器设置频率调整环节。

 频率抖动技术与其它方法的比较

频率抖动技术相辅相成,并具有更突出的优点,如下文所示。

形成开关电源电磁干扰的三个条件是干扰源、耦合途径、受扰设备。因此常用的抑制电磁干扰方法有以下几种：(1)采用滤波元件,如共模电感、X1和Y1电容,X1电容用于输入线间滤波,Y1电容故障时只会断路而不会短路,因此用于初次级电路间;(2)采用变压器内部加屏蔽绕组,外包屏蔽铜带,并将磁芯接地等方法;(3)在高频开关 (MOSFET和次级整流二极管) 上加Snubber电路,减小dv/dt和di/dt;(4)通过完善PCB设计,减小有高频电流回路的面积,高频元件采用Kelvin接法等。

这些方法可以有效地抑制电磁干扰,但每种方法都有其局限性,采用共模电感、X1和Y1电容受到体积、成本的制约;变压器抗干扰技术增加了变压器的绕制难度,绝缘也要十分小心;高频开关上加Snubber电路会降低电源的效率,增加高频开关的损耗;而PCB设计需要丰富的经验,并要考虑到方便产品制造(如机插元件要求水平布置等)。相比之下,频率抖动技术采用功率半导体集成芯片内部电路来改善EMI,高效而且可靠;使用中不依靠电源设计人员的经验,无需增加体积并能节省外围元件的成本,也不会对电源的效率带来任何负面影响,更不会给电源产品的制造增加任何不便。

 总结

频率抖动技术是一种通过改善控制技术获得性能优化的新方法,首先在高频数字电路中开始使用,现在已被集成开关电源芯片所采用,大量应用于小功率开关电源产品中,为抑制开关电源电磁干扰提供了新思路。