频率抖动技术

频率抖动技术(FrequencyJitter)是一种从分散谐波干扰能量着手解决EMI问题的新方法。频率抖动技术是指开关电源的工作频率并非固定不变，而是周期性地由窄带变为宽带的方式来降低EMI，来减小电磁干扰的方法。下面这篇文章通过一个例子讲述了频率抖动技术在电源设计中的巨大作用频率抖动技术介绍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128kHz至136kHz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。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。