電磁輻射 （EMR）、電磁干擾 （EMI） 和電磁兼容性 （EMC） 是與帶電粒子和相關磁場的能量相關的術語，這些能量可能會干擾電路性能和信號傳輸。隨著無線通信的普及，通信設備的增多，以及越來越多的通信方法（包括蜂窩、Wi-Fi、衛星、GPS 等）使用越來越多的頻譜（有些頻段重疊），電磁干擾是生活中的事實。為了減輕影響，許多政府機構和監管機構對通信設備、設備和儀器可以發射的輻射量設定了限制。這種規范的一個例子，CISPR 16-1-3，

電磁干擾可分為傳導（通過電源傳輸）或輻射（通過空氣傳輸）。開關電源產生這兩種類型。ADI 公司為減少傳導和輻射干擾而實施的一項技術是擴頻調制 （SSFM）。這種技術用于我們的幾個基于電感器和電容器的開關電源、硅振蕩器和 LED 驅動器，以將噪聲傳播到更寬的頻帶，從而降低特定頻率的峰值和平均噪聲。

SSFM 通過不允許發射的能量在任何一個接收器頻帶中停留很長時間來改善 EMI。有效 SSFM 的關鍵決定因素是頻率擴展量和調制率。對于切換器應用，±10% 的擴展是典型的，最佳調制率由調制曲線決定。SSFM 使用各種擴頻方法，例如用正弦波或三角波調制時鐘頻率。

調制方式

大多數開關穩壓器都表現出與頻率相關的紋波：在較低開關頻率下紋波較大，在較高開關頻率下紋波較小。因此，如果對開關時鐘進行頻率調制，則開關的紋波將表現出幅度調制。如果時鐘的調制信號是周期性的，例如正弦波或三角波，則在調制頻率上會有周期性的紋波調制和明顯的頻譜分量（圖 1）。

（圖 1. 由時鐘的正弦頻率調制引起的開關穩壓器紋波示意圖。）

由于調制頻率遠低于切換器的時鐘，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，這可能會導致問題，例如可聽見的音調或可見的顯示偽影。偽隨機頻率調制可以避免這種周期性波動。使用偽隨機頻率調制，時鐘以偽隨機方式從一個頻率轉換到另一個頻率。由于開關的輸出紋波由類似噪聲的信號進行幅度調制，因此輸出看起來好像沒有調制，下游系統的影響可以忽略不計。

調制量

隨著 SSFM 頻率范圍的增加，帶內時間的百分比減少。在下面的圖 2 中，請注意與單個未調制窄帶信號相比，調制頻率如何顯示為峰值低 20 dB 的寬帶信號。如果發射信號在短時間內（相對于其響應時間）不頻繁地進入接收器的頻帶，則會顯著降低 EMI。例如，±10% 的頻率調制在降低 EMI 方面將比±2% 的頻率調制更有效。1但是，開關穩壓器可以承受的頻率范圍有限。作為一般規則，大多數開關穩壓器可以輕松承受 ±10% 的頻率變化。

（圖 2. 擴頻調制產生更寬的時鐘頻帶和更低的峰值能量。）

調制率

與調制量類似，隨著頻率調制率（跳躍率）的增加，EMI 在給定接收器的帶內時間將減少，EMI 將減少。但是，切換器可以跟蹤的頻率變化率 （dF/dt） 是有限制的。解決方案是找到不影響切換器輸出調節的最高調制率。

測量 EMI

測量 EMI 的典型方法稱為峰值檢測、準峰值檢測或平均檢測。對于這些測試，測試設備的帶寬被適當設置以反映感興趣的現實世界帶寬，并確定 SSFM 的有效性。當進行頻率調制時，檢測器會在發射掃過檢測器頻帶時做出響應。當檢波器的帶寬與調制速率相比較小時，檢波器的有限響應時間會導致 EMI 測量衰減。相比之下，檢測器的響應時間不會影響固定頻率發射，也沒有觀察到 EMI 衰減。峰值檢測測試顯示 SSFM 的改進直接對應于衰減量。準峰值檢測測試可以顯示進一步的 EMI 改進，因為它包括占空比的影響。具體來說，固定頻率發射產生 100% 的占空比，而 SSFM 的占空比會根據發射在探測器頻帶內的時間量而降低。最后，平均檢測測試可以顯示出最顯著的 EMI 改進，因為它通過低通過濾峰值檢測信號，從而產生平均帶內能量。與平均和峰值能量相等的固定頻率發射不同，SSFM 會衰減峰值檢測能量和帶內時間量，從而降低平均檢測結果。許多監管測試要求系統通過準峰值和平均檢測測試。固定頻率發射產生 100% 的占空比，而 SSFM 的占空比會根據發射在探測器頻帶內的時間量而降低。最后，平均檢測測試可以顯示出最顯著的 EMI 改進，因為它通過低通過濾峰值檢測信號，從而產生平均帶內能量。與平均和峰值能量相等的固定頻率發射不同，SSFM 會衰減峰值檢測能量和帶內時間量，從而降低平均檢測結果。許多監管測試要求系統通過準峰值和平均檢測測試。固定頻率發射產生 100% 的占空比，而 SSFM 的占空比會根據發射在探測器頻帶內的時間量而降低。最后，平均檢測測試可以顯示出最顯著的 EMI 改進，因為它通過低通過濾峰值檢測信號，從而產生平均帶內能量。與平均和峰值能量相等的固定頻率發射不同，SSFM 會衰減峰值檢測能量和帶內時間量，從而降低平均檢測結果。許多監管測試要求系統通過準峰值和平均檢測測試。平均檢測測試可以顯示出最顯著的 EMI 改進，因為它通過低通過濾峰值檢測信號，從而產生平均帶內能量。與平均和峰值能量相等的固定頻率發射不同，SSFM 會衰減峰值檢測能量和帶內時間量，從而降低平均檢測結果。許多監管測試要求系統通過準峰值和平均檢測測試。平均檢測測試可以顯示出最顯著的 EMI 改進，因為它通過低通過濾峰值檢測信號，從而產生平均帶內能量。與平均和峰值能量相等的固定頻率發射不同，SSFM 會衰減峰值檢測能量和帶內時間量，從而降低平均檢測結果。許多監管測試要求系統通過準峰值和平均檢測測試。

SSFM 和接收機帶寬

無論是否啟用 SSFM，開關穩壓器的峰值發射在任何時刻都可能相同。怎么可能？SSFM 的有效性部分取決于接收器的帶寬。接收排放的瞬時快照需要無限帶寬。每個實際系統都有有限的帶寬。如果時鐘頻率的變化快于接收器的帶寬，則接收到的干擾的減少將是顯著的。

（圖 3. 使用啟用和未啟用 SSFM 的 LTC6908 的開關穩壓器輸出頻譜（9 kHz 分辨率帶寬）。）

硅振蕩器中的 SSFM

LTC6909、LTC6902和LTC6908 _是具有擴頻調制的八、四和二輸出多相硅振蕩器。這些器件通常用于為開關電源提供時鐘。多相操作有效地提高了系統的開關頻率（因為相位表現為開關頻率的增加），擴頻調制使每個設備在一個頻率范圍內切換，從而將傳導 EMI 擴展到更寬的頻帶。LTC6908 具有 5 kHz 至 10 MHz 的頻率范圍，提供兩個輸出，并且有兩個版本可供選擇：LTC6908-1 具有兩個輸出，它們之間具有 180° 相移，而 LTC6908-2 具有兩個輸出具有 90°它們之間的相移。前者是同步兩個單開關穩壓器的理想選擇，后者是同步兩個雙兩相開關穩壓器的理想選擇。四通道 LTC6902 具有 5 kHz 至 20 MHz 的頻率范圍，并可針對等間距的 2、3 或 4 相進行編程。LTC6909 具有 12kHz 至 6.67MHz 的頻率范圍，并且可以針對多達 8 個相位進行編程。

為了解決上述周期性紋波，這些硅振蕩器使用偽隨機頻率調制。使用這種技術，開關穩壓器時鐘以偽隨機方式從一個頻率轉換到另一個頻率。頻移率或跳躍率越高，切換器在給定頻率下運行的時間越短，并且對于給定的接收器間隔，EMI在帶內的時間越短。

（圖 4. 說明 LTC6908/LTC6909 內部跟蹤濾波器效果的偽隨機調制。）

然而，跳頻速率是有限制的。如果頻率跳變的速率超出開關穩壓器的帶寬，則輸出尖峰可能會出現在時鐘頻率轉換邊緣。較低的切換器帶寬會導致更明顯的尖峰。出于這個原因，LTC6908 和 LTC6909 包括一個專有的跟蹤濾波器，它可以平滑從一個頻率到下一個頻率的轉換（LTC6902 使用一個內部 25 kHz 低通濾波器）。內部濾波器跟蹤跳頻，為所有頻率和調制速率提供最佳平滑。

這種濾波后的調制信號對于許多邏輯系統來說可能是可以接受的，但必須仔細考慮周期到周期的抖動問題。即使使用跟蹤濾波器，給定調節器的帶寬仍可能不足以實現高頻率調制。對于帶寬限制， LTC6908 /LTC6909 的跳頻速率可以從標稱頻率的 1/16 的默認速率降低到標稱頻率的 1/32或 1/64的速率。

電源中的 SSFM

開關穩壓器在逐個周期的基礎上運行，以將功率傳輸到輸出端。在大多數情況下，工作頻率是固定的或恒定的，具體取決于輸出負載。這種轉換方法會在工作頻率（基波）和工作頻率的倍數（諧波）處產生大量噪聲分量。

單擊此處獲取具有擴頻頻率調制的降壓穩壓器列表。

LTM4608A：具有 SSFM 的 8A、2.7V 至 5.5V輸入DC 至 DC μModule?降壓穩壓器

為了降低開關噪聲，LTM4608A可以通過將 CLKIN 引腳連接到 SV IN來啟用擴頻工作（低功率電路電源電壓引腳）。在擴頻模式下，LTM4608A 的內部振蕩器設計用于產生一個時鐘脈沖，其周期在逐個周期的基礎上是隨機的，但固定在標稱頻率的 70% 和 130% 之間。這有利于將開關噪聲分散到一個頻率范圍內，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，則擴展頻譜操作將被禁用。圖 5 顯示了啟用擴頻操作的操作電路。必須在 PLL LPF 引腳和地之間放置一個 0.01 μF 的電容，以控制擴頻頻率變化的壓擺率。組件值由以下等式確定：

LT8609：具有 SSFM 的 42V 輸入、2A 同步降壓轉換器

LT8609是一款微功率、降壓型轉換器，可在高開關頻率 （2MHz 時為 93%） 下保持高效率，從而允許使用更小的外部組件。SSFM 模式的操作類似于脈沖跳躍模式操作，主要區別在于開關頻率由 3 kHz 三角波上下調制。調制范圍由開關頻率設置在低端（由 RT 引腳上的電阻器設置），在高端設置比 RT 設置的頻率高約 20% 的值。要啟用擴頻模式，請將 SYNC 引腳連接到 INTVCC 或將其驅動到 3.2 V 和 5 V 之間的電壓。

（圖 5. 啟用擴頻的 LTM4608A。）

LTC3251/LTC3252：具有 SSFM 的電荷泵降壓型穩壓器

LTC3251 / LTC3252是 2.7 V 至 5.5 V、基于單 500 mA/雙 250 mA 電荷泵的降壓型穩壓器，可產生一個時鐘脈沖，其周期在逐個周期的基礎上是隨機的，但固定在 1 MHz 和1.6兆赫。圖 6 和圖 7 顯示了與傳統降壓轉換器相比，LTC3251 的擴頻特性如何顯著降低峰值諧波噪聲并實際上消除了諧波。擴頻操作可通過 LTC3251 選擇，但始終通過 LTC3252 啟用。

（圖 7. 啟用 SSFM 的 LTC3251。）

LED 驅動器中的 SSFM

LT3795：具有 SSFM 的 110V 多拓撲 LED 控制器

開關穩壓器 LED 驅動器對于涉及 EMI 的汽車和顯示照明應用來說也很麻煩。為了提高 EMI 性能，LT3795 110 V 多拓撲 LED 驅動器控制器包括 SSFM。如果 RAMP 引腳上有一個電容器，則會產生一個在 1 V 和 2 V 之間掃描的三角波。然后將該信號饋入內部振蕩器，以在基頻的 70% 和由時鐘頻率設置電阻 RT 設置的基頻之間調制開關頻率。調制頻率由下式設定：

圖 8 和圖 9 顯示了傳統升壓開關轉換器電路（連接到 GND 的 RAMP 引腳）和啟用擴頻調制的升壓開關轉換器（RAMP 引腳處為 6.8 nF）之間的噪聲頻譜比較。圖 8 顯示了平均傳導 EMI，圖 9 顯示了峰值傳導 EMI。EMI 測量結果對使用電容器選擇的 RAMP 頻率很敏感。1 kHz 是優化峰值測量的良好起點，但可能需要對該值進行一些微調才能在特定系統中獲得最佳的整體 EMI 結果。

（圖 9. LT3795 峰值傳導 EMI。）

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

LT3952是一款60V /4A 電源開關、恒流、恒壓多拓撲 LED 驅動器，具有可選的 SSFM。振蕩器頻率以偽隨機方式從標稱頻率 （f SW ） 變化到標稱頻率以上的 31%，步長為 1%。這種單向調整允許 LT3952 避開系統中的敏感頻帶（例如 AM 無線電頻譜），只需將標稱頻率編程為略高于該頻率即可。比例步長允許用戶輕松確定此指定 EMI 測試箱大小的時鐘頻率值（RT 引腳），偽隨機方法提供頻率變化本身的音調抑制。

使用 f SW /32的速率，偽隨機值與振蕩器頻率成比例更新。該速率允許在標準 EMI 測試停留時間內多次通過整個頻率組。

（圖 10. LT3952 平均傳導 EMI。）

ADI 公司還有許多其他產品可以有效地使用設計技術來降低 EMI。如前所述，使用 SSFM 是一種技術。其他方法包括減慢快速內部時鐘邊沿和內部過濾。另一項新技術是通過我們的 Silent Switcher ?技術實現的，該技術使用布局來有效降低 EMI。LT8640是一款獨特的42V 輸入、微功率、同步降壓型開關穩壓器，它結合了 Silent Switcher 技術和 SSFM 以降低 EMI。

關于作者

Greg Zimmer 是 ADI 公司電池管理系統事業部的營銷經理，在廣泛的高性能信號調理 IC 產品營銷方面擁有豐富的經驗。Greg 的背景包括市場營銷、技術營銷、應用工程和模擬電路設計。

Kevin Scott 是 ADI 公司電源產品部的產品營銷經理，負責管理升壓、降壓-升壓和隔離轉換器，以及 LED 驅動器和線性穩壓器。他之前曾擔任高級戰略營銷工程師，創建技術培訓內容，培訓銷售工程師，并撰寫了大量關于公司廣泛產品的技術優勢的網站文章。他在半導體行業從事應用、業務管理和營銷工作 26 年。

審核編輯：郭婷