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引言 設(shè)計滿足電磁兼容性(EMC)要求的功率轉(zhuǎn)換器對于工程師來說，會是一個艱巨的挑戰(zhàn)。沒有什么可以替代良好的規(guī)劃、設(shè)計和濾波步驟。通常直到開發(fā)過程的后期才能測量到功率轉(zhuǎn)換器的發(fā)射量，而那時也意味著功率轉(zhuǎn)換器已被集成到最終完成的組件或系統(tǒng)中。通常情況下，這時再添加額外濾波元件的空間會非常有限，與此同時，也沒有可用于重新設(shè)計的時間。在設(shè)計周期后期再尋找滿足EMC需求的解決方案，可能會非常昂貴和費時。降低峰值放射并可能滿足EMC需求的一個相對簡單的方法就是采用時鐘抖動電路。這種有爭議的方法是否是“謊報技術(shù)規(guī)格”，或者換一種角度，這種方法是否是減少后期設(shè)計中的更改，并保證設(shè)計時間的一種聰明的做法？ 抖動的優(yōu)點和缺點 在固定頻率(時鐘控制)功率轉(zhuǎn)換器中，窄帶發(fā)射通常發(fā)生在開關(guān)頻率，其連續(xù)諧波的能量也越來越低。 抖動振蕩器頻率會導(dǎo)致功率轉(zhuǎn)換器不在單個固定頻率下工作，而是在變化的頻帶上工作。由于EMI發(fā)射分布在較廣的頻率范圍而不是在窄帶頻率下工作，因此可降低EMI發(fā)射的峰值。此外，抖動振蕩器也將降低諧波頻率(即為開關(guān)頻率倍數(shù)的頻率)的峰值。發(fā)射量的減少取決于調(diào)制頻率的選擇(抖動率)、抖動帶寬以及接收器的分辨帶寬。通過正確選擇上述參數(shù)，可降低EMI發(fā)射10dB或更多。 頻率抖動對降低高頻(幾兆赫茲)非諧波發(fā)射起到的作用微乎其微。這些發(fā)射是由于寄生LC電路、二極管反向恢復(fù)電流等在交換節(jié)點的振鈴導(dǎo)致的。添加緩沖器、柵極驅(qū)動電阻器或使用軟恢復(fù)二極管是降低這些發(fā)射的常見的解決方法。 此外，抖動振蕩器將給輸出電壓添加少量紋波。這種輸出電壓紋波的頻率等于抖動頻率，通常遠小于由于電容ESR和電感電流產(chǎn)生的輸出電壓紋波的頻率(與開關(guān)頻率相同)。當(dāng)設(shè)置正確時，抖動產(chǎn)生的輸出紋波的幅度與額定輸出紋波的幅度相比相對較低。本文后面將介紹降壓轉(zhuǎn)換器環(huán)境中的這種紋波。 電阻編程控制器的可選抖動電路附加裝置 大多數(shù)現(xiàn)代PWM控制器使用外部電阻來設(shè)置工作頻率。通常情況下，工作頻率隨電阻值的降低而上升。控制器內(nèi)部的振蕩器編程引腳(RT)被調(diào)節(jié)為恒定電壓 (在本文中為2V)。連接到編程引腳的編程電阻設(shè)置從編程引腳輸出的電流源。比例電流還被饋送到內(nèi)部的定時電容器，而定時電容器上斜坡電壓的周期決定振蕩器頻率。 圖1所示的外部抖動電路由基于振蕩器的簡單的獨立比較器組成。 
圖1 低頻振蕩器調(diào)制PWM控制器振蕩頻率 此振蕩器的工作頻率配置約為800Hz。通電之后，比較器U2的輸出狀態(tài)升高。比較器正輸入的初始閾值(由電阻器R1~R3設(shè)置)為2.9V。電容器C3 的電壓傾斜上升至正閾值。當(dāng)達到正閾值時，比較器的輸出切換為低輸出，這也會使比較器正輸入的閾值降低至2.1V。電容器C3的電壓現(xiàn)在向新閾值傾斜下降。一旦電容器電壓達到較低的閾值，循環(huán)再次重復(fù)。C3電容器上的電壓類似于三角波，最低谷為2.1V，峰值為2.9V。 通過讓該三角波調(diào)制來自控制器RT引腳的電流，可實現(xiàn)PWM振蕩器的抖動。電阻器R5用于設(shè)置施加在PWM振蕩器基本頻率上的調(diào)制抖動百分比。R5的右端固定為調(diào)節(jié)RT引腳電位2.0V。低頻三角波通過耦合電容器C2出現(xiàn)在電阻器R5的左端。對于值為64.9KΩ的R3，通過該電阻器的峰對峰電流為 12mA。沒有連接抖動電路時，來自RT引腳的額定電流為121mA。12mA的峰對峰抖動電流相當(dāng)于10%的總調(diào)制。 具有抖動測量的降壓控制器 使用LM5088-1的降壓控制器顯示了另一種抖動實現(xiàn)方法。此IC具有內(nèi)置的±5%抖動功能。抖動引腳設(shè)置三角抖動頻率，或可用于禁用抖動。如圖2所示，CDither電容器用于產(chǎn)生三角波形。
圖2 LM5088中的內(nèi)置頻率抖動原理圖 此三角波用于操控振蕩器電路，以使其調(diào)制由RT電阻器設(shè)置的額定工作頻率的±5%。禁用抖動對正常電路調(diào)試非常有用，可穩(wěn)定觸發(fā)和觀察電路節(jié)點。 傳導(dǎo)發(fā)射是在評估板上測量的。基本工作頻率大約為240kHz，由控制器的RT電阻器設(shè)置。圖3中的深色軌跡線顯示的是沒有應(yīng)用抖動電路的功率轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)發(fā)射(在正輸入電源線上)。
圖3 使用和未使用振蕩器抖動的DC-DC轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)發(fā)射 正如預(yù)期的那樣，峰值發(fā)射量局限于250kHz基本振蕩器頻率附近較窄的范圍內(nèi)。 然后，啟用圖2中所示的振蕩器抖動電路。圖3中的淺色軌跡線是應(yīng)用了抖動電路的功率轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)發(fā)射。現(xiàn)在是寬帶而不是窄帶發(fā)射，也就是說，發(fā)射已經(jīng)遍布基本頻率，且不只局限于基本頻率。在此頻帶上測得的峰值降低了20dB(Y軸上的每個方框為10dB)。此測量的分辨帶寬(RBW)設(shè)置為200Hz。觀察到的抖動效果可能受RBW設(shè)置影響。為了觀察抖動效果，必須將RBW設(shè)置為比抖動頻率低幾倍。許多EMC測試標(biāo)準指定了特定頻率范圍內(nèi)的RBW。因此，觀察到的凈抖動效果可能會減弱，這取決于RBW設(shè)置、基本振蕩器頻率和調(diào)制頻率。 綜上所述，抖動振蕩電路將給輸出電壓添加較慢頻率的紋波。通常這種紋波的幅度太小，以致無法通過開關(guān)噪聲觀察到它。圖4所示為使用低通RC濾波器(R=10Ω、C=2µF)濾掉開關(guān)噪聲后捕捉到的交流耦合輸出電壓。
圖4 頂部軌跡線：用于設(shè)置LM5088中的抖動的三角波形 底部軌跡線：由于抖動在LM5088評估板上測得的低頻輸出紋波 它是通過將RC濾波器與輸出電容器并聯(lián)，并探測2µF電容器上的電壓捕捉到的。如果抖動頻率低于功率轉(zhuǎn)換器的帶寬，控制回路將嘗試糾正此附加紋波。在顯示的示例中，抖動頻率為1.5kHz，LM5088評估板的帶寬為15kHz。 結(jié)語 必須再次聲明，沒有什么可以替代良好的規(guī)劃、設(shè)計和濾波方法。頻率抖動可降低在基本時鐘頻率和低階諧波處測得的峰值發(fā)射。它不會降低總的發(fā)射能量且?guī)缀醪粫档透哳l非諧波頻率發(fā)射。但是，如果在設(shè)計過程后期需要降低基本頻率和諧波發(fā)射，則啟用抖動電路可節(jié)省許多重新設(shè)計的費用。可在早期設(shè)計抖動電路并使其保留不活動，直到最終的EMC測試。最后，頻率抖動對輻射的效果與對傳導(dǎo)發(fā)射的效果相同，即使是在輻射EMI情況下，也可得出類似的結(jié)論。 作者：美國國家半導(dǎo)體 Bob Bell, Ajay Hari 來源:電子設(shè)計應(yīng)用2009年第11期 |
