電磁輻射 (EMR)、電磁干擾 (EMI) 和電磁兼容性 (EMC)是涉及來自帶電粒子的能量以及可能干擾電路性能和信號傳輸?shù)南嚓P磁場的術語。隨著無線通信的激增，通信裝置不計其數(shù)，再加上越來越多的通信方法 (包括蜂窩、Wi-Fi、衛(wèi)星、GPS 等) 使用的頻譜越來越多(有些頻帶相互重疊)，電磁干擾成了客觀存在的事實。

為了減輕此影響，許多政府機構和監(jiān)管組織對通信裝置、設備和儀器可發(fā)射的輻射量設定了限制。這類規(guī)范的示例之一是 CISPR 16-1-3，它涉及無線電干擾和抗擾度測量設備和測量方法。

根據(jù)其特征，電磁干擾可分為傳導干擾(通過電源傳輸)或輻射干擾(通過空氣傳輸)。開關電源會產(chǎn)生兩種類型的干擾。ADI為減少傳導干擾和輻射干擾實施的一項技術是擴頻頻率調(diào)制(SSFM)。

該技術用于我們一些基于電感和電容的開關電源、硅振蕩器和 LED 驅動器，將噪聲擴展到更寬的頻帶上，從而降低特定頻率下的峰值噪聲和平均值噪聲。

SSFM 不允許發(fā)射能量在任何接收器的頻帶中停留過長時間，從而改善了EMI。有效SSFM的關鍵決定因素是頻率擴展量和調(diào)制速率。對于開關穩(wěn)壓器應用來說，典型擴展量為 ±10%，最佳調(diào)制速率取決于調(diào)制方式。SSFM 可采用各種頻率擴展方法，例如使用正弦波或三角波調(diào)制時鐘頻率。

調(diào)制方法

大多數(shù)開關穩(wěn)壓器都會呈現(xiàn)與頻率相關的紋波：開關頻率越低則紋波越多，開關頻率越高則紋波越少。因此，如果對開關時鐘進行頻率調(diào)制，則開關穩(wěn)壓器的紋波將呈現(xiàn)幅度調(diào)制。如果時鐘的調(diào)制信號是周期性的 (例如正弦波或三角波)，則將呈現(xiàn)周期性的紋波調(diào)制，而且在調(diào)制頻率上存在一個明顯的頻譜分量 (圖 1)。

圖 1. 由時鐘的正弦波頻率調(diào)制引起的開關穩(wěn)壓器紋波圖解

由于調(diào)制頻率遠低于開關穩(wěn)壓器的時鐘頻率，因此可能難以濾除。由于下游電路中的電源噪聲耦合或有限的電源抑制，這可能導致可聽音或明顯的偽像等問題。偽隨機頻率調(diào)制能夠消除這種周期性紋波。采用偽隨機頻率調(diào)制時，時鐘以偽隨機方式從一個頻率轉換到另一個頻率。由于開關穩(wěn)壓器的輸出紋波由類噪聲信號進行幅度調(diào)制，因此輸出看似沒有進行調(diào)制，而且下游系統(tǒng)的影響可以忽略不計。

調(diào)制量

隨著 SSFM 頻率范圍的增加，帶內(nèi)時間的百分比減少。從下方圖 2 中可以看到，與單個未調(diào)制的窄帶信號相比，調(diào)制頻率呈現(xiàn)為寬帶信號而且峰值降低 20 dB。如果發(fā)射信號不常進入接收器的頻帶而且停留的時間很短 (相對于其響應時間)，則可以顯著降低 EMI。例如，在降低 EMI 方面，±10% 的頻率調(diào)制比±2% 的頻率調(diào)制有效得多。不過，開關穩(wěn)壓器所能容許的頻率范圍是有限的。一般來說，大多數(shù)開關穩(wěn)壓器都能輕松容忍±10% 的頻率變化。

圖 2. 擴頻調(diào)制在更寬的時鐘頻帶內(nèi)產(chǎn)生更低的峰值能量

調(diào)制速率

與調(diào)制量類似，對于某個給定的接收器，隨著頻率調(diào)制速率的增加 (跳頻速率)，給定接收器的 EMI 處于帶內(nèi)的時間將減少，因此 EMI將降低。然而，開關穩(wěn)壓器所能跟蹤的頻率變化速率(dF/dt) 具有一個限值。其解決方案則是找出那個不影響開關穩(wěn)壓器輸出調(diào)節(jié)性能的最高調(diào)制速率。

測量 EMI

測量 EMI 的典型方法為峰值檢測、準峰值檢測或平均值檢測。對于這些測試而言，適當?shù)卦O置測試設備的帶寬，以反映實際目標帶寬并確定 SSFM 的有效性。在進行頻率調(diào)制時，檢測器會隨著發(fā)射掃描整個檢測器的頻帶而進行響應。當檢測器的帶寬相較于調(diào)制速率較小時，檢測器的有限響應時間會導致 EMI 測量值衰減。

相反，檢測器的響應時間不會影響固定頻率發(fā)射，從而不會觀測到 EMI 衰減。峰值檢測測試顯示通過SSFM得到的改善直接對應于衰減量。準峰值檢測測試還可以顯示進一步的 EMI 改善，因為它包括了占空比的影響。具體而言，固定頻率發(fā)射產(chǎn)生 100% 的占空比，而來自 SSFM 的占空比隨發(fā)射在檢測器頻帶內(nèi)所占的時間量而減少。

最后，平均值檢測測試能夠顯示最明顯的 EMI 改善，因為它使用低通過濾峰值檢測信號，從而生成平均帶內(nèi)能量。在固定頻率發(fā)射時，平均值和峰值能量相等，SSFM 則不同，它對峰值檢測能量和帶內(nèi)時間量均進行衰減，從而產(chǎn)生更低的平均值檢測結果。許多監(jiān)管測試要求系統(tǒng)通過準峰值和平均值兩種檢測測試。

SSFM 和接收器帶寬

無論是否啟用 SSFM，在任何時刻，開關穩(wěn)壓器的峰值發(fā)射可能看起來都是相同的。這怎么可能？SSFM的有效性部分取決于接收器的帶寬。要接收瞬時的發(fā)射快照，需要無限帶寬。每個實際系統(tǒng)的帶寬都是有限的。如果時鐘頻率的變化快于接收器的帶寬，將顯著降低接收干擾。

圖 3. 使用啟用 SSFM 和未啟用 SSFM 的 LTC6908 開關穩(wěn)壓器的輸出頻譜 (9 kHz 分辨率帶寬)

硅振蕩器中的 SSFM

LTC6909, LTC6902 和 LTC6908是具有擴頻調(diào)制的八相、四相和雙相輸出的多相硅振蕩器。這些器件通常用于為開關電源提供時鐘。多相操作有效地增加了系統(tǒng)的開關頻率 (因為相位表現(xiàn) 為開關頻率的增加)，并且擴頻調(diào)制使每個器件在一定頻率范圍內(nèi)開關，從而在更寬的頻帶上擴展傳導 EMI。LTC6908 具有 5 kHz至 10 MHz 的頻率范圍，提供兩個輸出，并具有兩種可選版本：

LTC6908-1 提供具有 180° 相移的兩個輸出，而 LTC6908-2 提供具有 90° 相移的兩個輸出。前者非常適合同步兩個單開關穩(wěn)壓器，后者則非常適合同步兩個雙相雙開關穩(wěn)壓器。

四通道LTC6902 具有 5 kHz 至 20 MHz 的頻率范圍，可編程用作等間距的雙相、三相或四相輸出。LTC6909 具有 12 kHz 至 6.67 MHz 的頻率范圍，最多可編程提供八相輸出。

為了解決上述周期性紋波問題，這些硅振蕩器使用偽隨機頻率調(diào)制。利用該技術，開關穩(wěn)壓器時鐘以偽隨機方式從一個頻率轉換到另一個頻率。頻率偏移率或跳頻速率越高，開關穩(wěn)壓器在給定頻率下的工作時間越短，并且對于給定的接收器間隔，EMI 在帶內(nèi)的時間將越短。

但是，跳頻速率有一個限制。如果頻率以超出開關穩(wěn)壓器帶寬的速率跳變，則可能會在時鐘頻率轉換邊沿發(fā)生輸出尖峰。較小的開關穩(wěn)壓器帶寬會導致更明顯的尖峰。因此，LTC6908 和LTC6909 包含一個專有的跟蹤濾波器，可以實現(xiàn)從一個頻率到下一個頻率的平滑轉換 (LTC6902 采用一個 25 kHz的內(nèi)部低通濾波器)。內(nèi)部濾波器跟蹤跳頻速率，為所有頻率和調(diào)制速率提供最佳平滑性能。

圖 4. 偽隨機調(diào)制說明了 LTC6908/LTC6909 內(nèi)部跟蹤濾波器的影響

對于許多邏輯系統(tǒng)來說，這種濾波調(diào)制信號可能是可接受的，但必須仔細考慮逐周期的抖動問題。即便使用了跟蹤濾波器，給定穩(wěn)壓器的帶寬仍有可能不足以滿足高速率頻率調(diào)制的要求。為應對帶寬限制，LTC6908/LTC6909 的跳頻速率可以從默認速率 (即標稱頻率的 1/16) 降低到標稱頻率的 1/32 或 1/64。

電源中的 SSFM

開關穩(wěn)壓器基于逐周期運行，以將功率傳輸?shù)捷敵?。在大多?shù)情況下，工作頻率要么是固定的，要么是基于輸出負載的常數(shù)。這種轉換方法在工作頻率 (基波) 和工作頻率的倍頻 (諧波)下產(chǎn)生較大的噪聲分量。

LTM4608A：具有 SSFM 的 8 A、2.7 V 至5.5 IN DC/DC μModule 降壓型穩(wěn)壓器

為了降低開關噪聲，可以將 LTM4608AA 的 CLKIN 引腳連接到 SVIN (低功耗電路電源電壓引腳)以啟用擴頻功能。在擴頻模式下，LTM4608A的內(nèi)部振蕩器設計用于產(chǎn)生時鐘脈沖，其周期在逐周期的基礎上是隨機的，但固定在標稱頻率的 70% 到 130% 之間。這有利于在一定頻率范圍內(nèi)擴展開關噪聲，從而顯著降低峰值噪聲。如果 CLKIN 接地或由外部頻率同步信號驅動，則禁用擴頻操作。圖 5 顯示了啟用擴頻操作的工作電路。必須在PLL LPF 引腳上放置一個 0.01 μF 的接地電容，以控制擴頻頻率變化的壓擺率。元件值由以下公式確定：

RSR ≥ 1 / ?(ln(1? 0.592/VIN)*500*CSR)

圖 5. 啟用擴頻的 LTM4608A。

LT8609 具有 SSFM 的 42 V 輸入、2 A 同步降型轉換器

LT8609是一款微功率降壓型轉換器，可在高開關頻率下保持高效率 (2 MHz 時為 93%)，從而允許使用更小的外部元件。SSFM模式的操作類似于跳躍脈沖工作模式，其主要區(qū)別在于開關頻 率由 3 kHz 三角波上下調(diào)制。調(diào)制范圍的低端通過開關頻率 (由RT 引腳上的電阻設置) 設置，高端則設置為比 RT 設置的頻率高約 20%。要啟用擴頻模式，須將 SYNC 引腳連接到 INTVCC 或將其驅動到 3.2 V 和 5 V 之間的電壓。

LTC3251 / LTC3252 具有 SSFM 的電荷泵降壓型穩(wěn)壓器

LTC3251/LTC3252 是 2.7 V 至 5.5 V、單路輸出 500 mA/雙路輸出250 mA 的電荷泵降壓型穩(wěn)壓器，可生成時鐘脈沖，其周期在逐周期的基礎上是隨機的，但固定在 1 MHz 到 1.6 MHz 之間。圖 6和圖 7 顯示了與傳統(tǒng)降壓型轉換器相比，LTC3251 的擴頻特性顯著降低了峰值諧波噪聲并幾乎消除了諧波。LTC3251 提供可選的擴頻操作，而LTC3252 則始終啟用擴頻。

圖 6. 禁用 SSFM 的 LTC3251

圖 7. 啟用 SSFM 的 LTC3251

LED 驅動器中的 SSFM

LT3795：具有 SSFM 的 110 V 多拓撲 LED 控制器

對于汽車和顯示屏照明應用的 EMI 問題而言，開關穩(wěn)壓器 LED 驅動器也是個麻煩。為了提高 EMI 性能， LT3795 110 V 多拓撲LED 驅動控制器集成了 SSFM。如果 RAMP 引腳上有一個電容，則會產(chǎn)生一個介于 1 V 和 2 V 之間的三角波。然后將該信號饋入內(nèi)部振蕩器，在基頻的 70% 和基頻之間對開關頻率進行調(diào)制，基頻由時鐘頻率設置電阻 RT 設定。

調(diào)制頻率計算公式如下：

12μA/(2 ? 1V ? CRAMP)

圖 8 和圖 9 顯示了傳統(tǒng)的升壓開關轉換器電路 (將 RAMP 引腳連接到 GND) 和啟用擴頻調(diào)制的升壓開關轉換器 (RAMP 引腳上為 6.8nF) 之間的噪聲頻譜比較。圖 8 顯示了平均值傳導 EMI，圖 9 顯示了峰值傳導 EMI。EMI 測量的結果易受使用電容選擇的 RAMP 頻率的影響。1 kHz 是優(yōu)化峰值測量的良好起點，但為了在特定系統(tǒng)中獲得整體 EMI 的最佳結果，可能需要對該值進行一些微調(diào)。

圖 8. LT3795 平均值傳導 EMI

圖 9. LT3795 峰值傳導 EMI

LT3952：具有 SSFM 的多拓撲 42 VIN, 60V/4A LED 驅動器

LT3952是一款 60 V/4 A 電源開關式、恒流、恒壓、多拓撲 LED 驅動器，提供可選的 SSFM。振蕩器頻率以偽隨機方式從標稱頻率(fSW) 變化到高于標稱值的 31%，步長為 1%。這種單向調(diào)整使LT3952只需將標稱頻率編程至其上方一點就可以避免系統(tǒng)中的敏感頻帶 (例如 AM 無線電頻譜)。成比例的步長允許用戶輕松確定適用于指定的 EMI 測試倉大小的時鐘頻率值 (RT 引腳)，并且偽隨機方法可以從頻率變化本身提供音調(diào)抑制。

偽隨機值的更新使用 fSW/32 的速率，與振蕩器頻率成正比。該速率允許整組頻率在標準 EMI 測試停留時間內(nèi)多次通過。

圖 10. LT3952 平均值傳導 EMI。

ADI 還提供許多其他產(chǎn)品，可以有效地利用設計技術來降低 EMI。如上所述，使用 SSFM 是其中一種技術。其他方法還包括 減緩快速內(nèi)部時鐘邊沿和內(nèi)部濾波。采用我們的 Silent Switcher? 技術實現(xiàn)了另一種創(chuàng)新方法，通過布局有效降低 EMI。

LT8640

● Silent Switcher? 架構：

（1）超低 EMI / EMC 輻射

（2）擴頻調(diào)制

● 在高頻下實現(xiàn)高效率

（1）在 1MHz、12VIN 至 5VOUT 轉換時達 96%

（2）在 2MHz、12VIN 至 5VOUT 轉換時達 95%

● 寬輸入電壓范圍：3.4V 至 42V

● 5A 最大連續(xù)電流，7A 峰值瞬態(tài)輸出

● 超低靜態(tài)電流突發(fā)模式 (Burst Mode?) 操作：

2.5μA IQ (調(diào)節(jié) 12VIN 至 3.3VOUT)

（1）輸出紋波 < 10mVP-P

● 快速最小接通時間：30ns

● 在所有條件下均可提供低壓差：100mV (在 1A)

● 強制連續(xù)模式 (僅限 LT8640-1)

● 可在過載情況下安全承受電感器飽和

● 可調(diào)及可同步頻率范圍：200kHz 至 3MHz

● 峰值電流模式操作

● 輸出軟起動和跟蹤

● 小外形 18 引腳 3mm x 4mm QFN 封裝

LT8640是一款獨特的 42 V 輸入、微功率同步降壓型開關穩(wěn)壓器，它將 Silent Switcher 技術和 SSFM 相結合以降低 EMI。因此，當您在設計中再次遇到 EMI 問題時，請務必查看我們的低 EMI 產(chǎn)品，以幫助您更輕松地符合 EMI 標準。
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