扩频频率调制以降低 EMI

电磁辐射 (EMR)、电磁干扰 (EMI) 和电磁兼容性 (EMC) 是涉及来自带电粒子的能量以及可能干扰电路性能和信号传输的相关磁场的术语。随着无线通信的激增，通信装置不计其数，再加上越来越多的通信方法 (包括蜂窝、Wi-Fi、卫星、GPS 等) 使用的频谱越来越多 (有些频带相互重叠)，电磁干扰成了客观存在的事实。为了减轻此影响，许多政府机构和监管组织对通信装置、设备和仪器可发射的辐射量设定了限制。这类规范的示例之一是 CISPR 16-1-3，它涉及无线电干扰和抗扰度测量设备和测量方法。

根据其特征，电磁干扰可分为传导干扰 (通过电源传输) 或辐射干扰 (通过空气传输)。开关电源会产生两种类型的干扰。ADI 公司为减少传导干扰和辐射干扰实施的一项技术是扩频频率调制 (SSFM)。该技术用于我们一些基于电感和电容的开关电源、硅振荡器和 LED 驱动器，将噪声扩展到更宽的频带上，从而降低特定频率下的峰值噪声和平均值噪声。

SSFM 不允许发射能量在任何接收器的频带中停留过长时间，从而改善了 EMI。有效 SSFM 的关键决定因素是频率扩展量和调制速率。对于开关稳压器应用来说，典型扩展量为 ±10%，最佳调制速率取决于调制方式。SSFM 可采用各种频率扩展方法，例如使用正弦波或三角波调制时钟频率。

调制方法

大多数开关稳压器都会呈现与频率相关的纹波：开关频率越低则纹波越多，开关频率越高则纹波越少。因此，如果对开关时钟进行频率调制，则开关稳压器的纹波将呈现幅度调制。如果时钟的调制信号是周期性的 (例如正弦波或三角波)，则将呈现周期性的纹波调制，而且在调制频率上存在一个明显的频谱分量 (图 1)。

图 1.由时钟的正弦波频率调制引起的开关稳压器纹波图解。

由于调制频率远低于开关稳压器的时钟频率，因此可能难以滤除。由于下游电路中的电源噪声耦合或有限的电源抑制，这可能导致可听音或明显的伪像等问题。伪随机频率调制能够消除这种周期性纹波。采用伪随机频率调制时，时钟以伪随机方式从一个频率转换到另一个频率。由于开关稳压器的输出纹波由类噪声信号进行幅度调制，因此输出看似没有进行调制，而且下游系统的影响可以忽略不计。

调制量

随着 SSFM 频率范围的增加，带内时间的百分比减少。从下方图 2 中可以看到，与单个未调制的窄带信号相比，调制频率呈现为宽带信号而且峰值降低 20 dB。如果发射信号不常进入接收器的频带而且停留的时间很短 (相对于其响应时间)，则可以显著降低 EMI。例如，在降低 EMI 方面，±10% 的频率调制比 ±2% 的频率调制有效得多。¹不过，开关稳压器所能容许的频率范围是有限的。一般来说，大多数开关稳压器都能轻松容忍 ±10% 的频率变化。

图 2.扩频调制在更宽的时钟频带内产生更低的峰值能量。

调制速率

与调制量类似，对于某个给定的接收器，随着频率调制速率的增加 (跳频速率)，给定接收器的 EMI 处于带内的时间将减少，因此 EMI 将降低。然而，开关稳压器所能跟踪的频率变化速率 (dF/dt) 具有一个限值。其解决方案则是找出那个不影响开关稳压器输出调节性能的最高调制速率。

测量 EMI

测量 EMI 的典型方法为峰值检测、准峰值检测或平均值检测。对于这些测试而言，适当地设置测试设备的带宽，以反映实际目标带宽并确定 SSFM 的有效性。在进行频率调制时，检测器会随着发射扫描整个检测器的频带而进行响应。当检测器的带宽相较于调制速率较小时，检测器的有限响应时间会导致 EMI 测量值衰减。相反，检测器的响应时间不会影响固定频率发射，从而不会观测到 EMI 衰减。峰值检测测试显示通过 SSFM 得到的改善直接对应于衰减量。准峰值检测测试还可以显示进一步的 EMI 改善，因为它包括了占空比的影响。具体而言，固定频率发射产生 100% 的占空比，而来自 SSFM 的占空比随发射在检测器频带内所占的时间量而减少。最后，平均值检测测试能够显示最明显的 EMI 改善，因为它使用低通过滤峰值检测信号，从而生成平均带内能量。在固定频率发射时，平均值和峰值能量相等，SSFM 则不同，它对峰值检测能量和带内时间量均进行衰减，从而产生更低的平均值检测结果。许多监管测试要求系统通过准峰值和平均值两种检测测试。

SSFM 和接收器带宽

无论是否启用 SSFM，在任何时刻，开关稳压器的峰值发射可能看起来都是相同的。这怎么可能？SSFM 的有效性部分取决于接收器的带宽。要接收瞬时的发射快照，需要无限带宽。每个实际系统的带宽都是有限的。如果时钟频率的变化快于接收器的带宽，将显著降低接收干扰。