通过改变电源开关频率来降低EMI干扰

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          你是否曾有过这样的经历?在测试EMI时不管采用何种滤波方式仍有少许超标的情况。本文介绍的技术将有助于你通过EMI测试,或简化你的滤波器设计。该技术通过调制电源开关频率引入边带能量,并将信号辐射特征从窄带噪声变为宽带噪声,从而有效地衰减谐波峰值。需要注意的是,总的EMI能量并没有减少,只是得到了重新分布。 

          在正弦波调制情况下,有两个变量可以控制,即调制频率(fm)和电源开关频率的变化幅度(Δf)。调制指数(B)就是这两个变量的比值,即: 

          Β=Δf/ fm 

          图1给出了采用正弦波调制技术的情况下改变调制指数带来的影响。当B=0时,没有频率偏移,只有一根谱线。当B=1时,信号的频率特征开始展宽,中心频率分量下降了20%。当B=2时,频率特征展得更宽,最大频率分量是B=0时的60%。我们可以用频率调制理论来量化这个频谱中的能量。卡森定律指出,在2*(Δf + fm)带宽内包含了绝大部分能量。

图1:调制电源开关频率可展宽EMI特征。


                                                                                                     图1:调制电源开关频率可展宽EMI特征。

            图2显示了更大的调制指数,从图中可以看出峰值EMI可降低12dB以上。

图2:更大的调制指数可以进一步降低峰值EMI。


                                                                                                      图2:更大的调制指数可以进一步降低峰值EMI。

           选择调制频率和频率偏移非常重要。首先,调制频率应高于EMI接收机带宽,以便接收机不会同时测量到两侧的边带。不过如果频率太高,电源控制环路可能无法充分抑制电压变化,从而导致输出电压以同样的速率变化。另外,调制可能在电源中产生可闻噪声。因此典型的做法是调制频率不要超出接收机带宽太多,但要在可闻频率范围以外。从图2可以明显看出,工作频率的高度变化更加可取。然而需要注意的是,这将对电源设计造成影响,也即需要针对最低工作频率认真选择磁性元件。由于在较低频率下工作,因此输出电容也需要处理更大的纹波电流。 

          图3对采用频率调制和未采用频率调制这两种情况下测得的EMI性能作了比较。这里的调制指数是4,正如预期的那样,EMI在基频基础上降低了8dB左右。其它方面的效果也非常显著。谐波被展宽到频带内,并且展宽结果与谐波次数有关,比如三次谐波可以被展宽至基频的3倍。展宽过程在更高的频率下不断重复,使得噪声基底与固定频率情况相比有了较大的提高。因此这种技术并不适合低噪声系统,但许多系统可以从中受益,它不仅能增加设计余量,还能显著降低EMI的滤波器成本。

图3:改变电源开关频率可降低基频信号幅度,但会增加噪音基底。


图3:改变电源开关频率可降低基频信号幅度,但会增加噪音基底。

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