采用频率抖动技术减小EMI

摘要：介绍了应用于开关电源芯片TOPGX中的频率抖动技术。并依照电磁干扰的测量标准分析了频率抖动技术的工作原理。给出了通过在芯片PWM控制电路中使用频率调整环节来减小开关电源的电磁干扰的新方法。并与其它抑制电磁干扰的方法进行了比较，从而为抑制开关电源的电磁干扰提供了一种新的思路。

关键词：频率抖动 电磁干扰 谐波能量

1 概述

由于采用脉宽调制（PWM）控制方式的开关电源的开关频率不断提高，使其高频开关波形中的大量谐波成分通过传输线和空间电磁场向外传播，从而造成了不可忽视的传导和辐射干扰问题。

随着通讯及控制技术的发展，各种高频数字电路对开关电源电磁兼容性（EMC）的要求更加严格，如何减小电磁干扰（EMI）成为开关电源设计中的一个难点。与常用的抗干扰技术相比，频率抖动技术（Frequency Jitter）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，而是周期性地变化来减小电磁干扰的一种方法。以下以TOPGX功率集成芯片为例，结合电磁干扰的产生机理和测量方法来说明频率抖动技术的工作原理及作用。

2 频率抖动技术

TOPGX系列芯片是一种内含PWM控制电路和MOSFET的功率芯片，工作频率为132kHz，可周期性地以132kHz为中心频率上下变动4kHz。能在4ms周期（频率为250Hz）内完成一次从128kHz至136kHz之间的频率抖动。

笔者在采用相同的外围电路和初级峰值电流的情况下，对应用频率抖动技术和未采用频率抖动技术的电源准峰值（QP）和平均值（AV）进行了比较，结果发现，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；而采用频率抖动技术时的谐波幅值明显降低，并且变得平滑，高次谐波接近连接响应。可以明显看出减小EMI的效果十分显著。为了分析频率抖动技术的工作原理，下面先解释一下EMI的测试标准及测量原理。

2.1 电磁干扰测试标准及原理

目前，国际无线电干扰特别委员会（CISPR）为美国联邦通信委员会（FCC）分别制定的CISPR22和FCC标准已分别在欧洲和北美使用。欧洲的EN55022标准等同于CISPR22标准。A级为工业级，B级为民用线，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。

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，并予以显示和记录，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，图1所示是9kHz扫描时的准峰值和平均值曲线。

2.2 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，人们所关心的只是将噪声幅值限制在规定的限度内。各次谐波幅值随频率的分布称为幅密度频谱。在频率f1处，频带度为Δf的谐波幅度为F（f1）Δf，如图2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，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3所示）。因此可以看出：谐波次数越高，频率分散越大。这样，噪声谐频率的分散使各次谐波在f1处能量的叠加降低，从而使噪声能量得以分散和减小，这样，就在整个频带上保证了幅值裕量，满足了电磁兼容性的要求。

采用频率抖动技术后，其噪声信号的准峰值（QP）随频率增加的变动不大，约下降2dB，而噪声信号的平均值（AV）则随着频率的增加而下降得十分明显。所以频率抖动技术在高频段效果更为显著，图4给出了噪声衰减与开关谐波的关系曲线。另外，需要指出的是：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。

3 频率抖动技术与其它方法的比较

频率抖动技术较之于其它方法具有更突出的优点。由于形成开关电源电磁干扰的三个条件是干扰源、耦合途径和受扰设备。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电容在电路发生故障时只会断路而不会短路，因此常用于初次级电路；

（2）在变压器内部加屏蔽绕组，外包屏蔽铜带，跨将磁芯接地；

（3）在高频开关（MOSFET和次级整流二极管）上加Sunbber电路，以减小dv/dt和di/dt；

（4）通过完善PCB设计来减小高频电流回路的面积，对高频元件采用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电容的方法将受到体积、成本的制约；变压器抗干扰技术要增加变压器的绕制难度，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，并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的内部电路来改善EMI，高效且可靠，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。

4 总结

频率抖动技术是一种通过改善控制技术来优化性能的新方法，该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而大量应用于小功率开关电源产品中，从而为抑制开关电源的电源干扰提供了一种新的思路。