頻率抖動 性能優劣自己決定

　　設計滿足電磁兼容性(EMC)要求的功率轉換器沒有什么可以替代良好的規劃、設計和濾波步驟。通常直到開發過程的后期才能測量到功率轉換器的發射量，而那時也意味著功率轉換器已被集成到最終完成的組件或系統中。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計的時間。在設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。

　　抖動的優點和缺點

　　在固定頻率(時鐘控制)功率轉換器中，窄帶發射通常發生在開關頻率，其連續諧波的能量也越來越低。

　　抖動振蕩器頻率會導致功率轉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發射的峰值。此外，抖動振蕩器也將降低諧波頻率(即為開關頻率倍數的頻率)的峰值。發射量的減少取決于調制頻率的選擇(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，可降低EMI發射10dB或更多。

　　頻率抖動對降低高頻(幾兆赫茲)非諧波發射起到的作用微乎其微。這些發射是由于寄生LC電路、二極管反向恢復電流等在交換節點的振鈴導致的。添加緩沖器、柵極驅動電阻器或使用軟恢復二極管是降低這些發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和電感電流產生的輸出電壓紋波的頻率(與開關頻率相同)。當設置正確時，抖動產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換器環境中的這種紋波。

　　電阻編程控制器的

　　可選抖動電路附加裝置

　　大多數現代PWM控制器使用外部電阻來設置工作頻率。通常情況下，工作頻率隨電阻值的降低而上升。控制器內部的振蕩器編程引腳(RT)被調節為恒定電壓(在本文中為2V)。連接到編程引腳的編程電阻設置從編程引腳輸出的電流源。比例電流還被饋送到內部的定時電容器，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的輸出狀態升高。比較器正輸入的初始閾值(由電阻器R1~R3設置)為2.9V。電容器C3的電壓傾斜上升至正閾值。當達到正閾值時，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，循環再次重復。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。

　　通過讓該三角波調制來自控制器RT引腳的電流，可實現PWM振蕩器的抖動。電阻器R5用于設置施加在PWM振蕩器基本頻率上的調制抖動百分比。R5的右端固定為調節RT引腳電位2.0V。低頻三角波通過耦合電容器C2出現在電阻器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于10%的總調制。

　　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方法。此IC具有內置的±5%抖動功能。抖動引腳設置三角抖動頻率，或可用于禁用抖動。如圖2所示，CDither電容器用于產生三角波形。

　　圖2 LM5088中的內置頻率抖動原理圖

　　此三角波用于操控振蕩器電路，以使其調制由RT電阻器設置的額定工作頻率的±5%。禁用抖動對正常電路調試非常有用，可穩定觸發和觀察電路節點。

傳導發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電阻器設置。圖3中的深色軌跡線顯示的是沒有應用抖動電路的功率轉換器的傳導發射(在正輸入電源線上)。

　　圖3 使用和未使用振蕩器抖動的DC-DC轉換器的傳導發射

　　正如預期的那樣，峰值發射量局限于250kHz基本振蕩器頻率附近較窄的范圍內。

　　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用了抖動電路的功率轉換器的傳導發射。現在是寬帶而不是窄帶發射，也就是說，發射已經遍布基本頻率，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)設置為200Hz。觀察到的抖動效果可能受RBW設置影響。為了觀察抖動效果，必須將RBW設置為比抖動頻率低幾倍。許多EMC測試標準指定了特定頻率范圍內的RBW。因此，觀察到的凈抖動效果可能會減弱，這取決于RBW設置、基本振蕩器頻率和調制頻率。

　　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，以致無法通過開關噪聲觀察到它。圖4所示為使用低通RC濾波器(R=10?、C=2μF)濾掉開關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，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。

　　結語

　　如果在設計過程后期需要降低基本頻率和諧波發射，則啟用抖動電路可節省許多重新設計的費用。可在早期設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發射的效果相同，即使是在輻射EMI情況下，也可得出類似的結論。