現(xiàn)代乘用車不僅要將乘客從一個(gè)目的地運(yùn)送到另一個(gè)目的地，還必須兼具通訊工具、電視、家庭影院、LED 照明中心甚至按摩院的功能。客戶的關(guān)注點(diǎn)正在從馬力和加速能力等純粹的駕駛功能轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r(shí)關(guān)注娛樂(lè)系統(tǒng)，例如多媒體觸屏尺寸和訪問(wèn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的能力。

未來(lái)的車輛必須能連接社交媒體、流媒體超高清視頻，隨時(shí)保持乘客在線狀態(tài)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛而與其他車輛、基礎(chǔ)設(shè)施和行人之間保持通信。最重要的是，車輛還必須保留原有的經(jīng)典功能，例如用于無(wú)線電調(diào)頻和 GPS 導(dǎo)航等功能的經(jīng)典電氣控制單元 (ECU)。這些都導(dǎo)致 ECU 的數(shù)量不斷增加。

汽車電氣化的發(fā)展需要高效率、功能強(qiáng)大的功率轉(zhuǎn)換解決方案，而這些解決方案應(yīng)具備外形尺寸較小的電源。出色的效率和小尺寸外形要求電源具備高開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 的開(kāi)關(guān)點(diǎn)也需具備超快開(kāi)關(guān)沿，而這給 EMC 工程師帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。

本文將探討如何利用頻譜擴(kuò)展(FSS)功能有效降低電源在特定頻段的 EMI 頻譜，同時(shí)討論其相關(guān)物理限制。

頻譜擴(kuò)展 (FSS)功能介紹

我們通過(guò) MPQ4371-AEC1 1等傳統(tǒng) SMPS 的頻譜來(lái)了解 FSS 的工作原理。MPQ4371-AEC1 1 是一款汽車級(jí)降壓穩(wěn)壓器，它通過(guò)零延遲(ZDPTM) 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高達(dá) 11A 的連續(xù)輸出電流(IOUT)，開(kāi)關(guān)頻率(fSW)可高達(dá) 2.5MHz。

圖 1 顯示了主 fSW 設(shè)置為 2.2MHz 時(shí)，該 SMPS 的頻譜。相應(yīng)諧波計(jì)算公式為 (n x fSW)，其中n為相應(yīng)的諧波。

image1165×833 84 KB

圖1: 傳統(tǒng)SMPS的頻譜

諧波功率隨測(cè)量頻率的升高而降低，并在約 400MHz 時(shí)消失在本底噪聲中。頻譜中的每個(gè)峰值（計(jì)算公式：n x fSW）均顯示其分辨率帶寬 (RBW) 和頻譜分析儀所使用的濾波器類型。

RBW 濾波器由最小和最大頻率以及濾波器階數(shù)定義。RBW 決定 RBW 濾波器的穩(wěn)定時(shí)間(tS)，并可通過(guò)公式 (1) 來(lái)計(jì)算：

圖 2 顯示了頻譜或信號(hào)分析儀中的傳統(tǒng) RBW 濾波器。

image1029×644 44 KB

圖2: RBW濾波器特性

通過(guò)測(cè)量頻譜，頻譜分析儀掃描定義的頻率區(qū)域。每當(dāng) RBW 濾波器內(nèi)出現(xiàn)峰值時(shí)，該特定頻率就會(huì)顯示在示波器中（見(jiàn)圖 3）。這樣，通過(guò)峰值之間區(qū)域內(nèi)的每個(gè)特定諧波來(lái)轉(zhuǎn)移功率就成為了可能。

image1646×921 105 KB

圖 3：頻譜區(qū)域中的分辨率帶寬濾波器和開(kāi)關(guān)頻率

如圖 3 所示，較高RBW 結(jié)合較小fSW將使頻譜更加靠近。這意味著諧波能量只能轉(zhuǎn)移到較小的區(qū)域。理論上，如果所有峰值能量都轉(zhuǎn)化為白噪聲，則每個(gè)特定峰值的衰減(α)都與fSW和 RBW 相關(guān)，如公式 (2) 所示：

圖 4 顯示了通過(guò) FSS可實(shí)現(xiàn)的最大理論衰減與相應(yīng) RBW 和 fSW之間的關(guān)系。舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)SMPS的fSW為0.5MHz，RBW為120kHz，則FSS 可實(shí)現(xiàn)的最大衰減為 6.2dB。

image702×602 49.4 KB

圖 4：FSS 的最大可能理論衰減

將特定頻譜轉(zhuǎn)換為FSS頻譜
要將 SMPS 的原始頻譜轉(zhuǎn)換為 FSS，必須圍繞原始開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行抖動(dòng)。

image1071×773 47.7 KB

圖 5：包含fSPAN和fMOD相關(guān)信息的 FSS 調(diào)制信號(hào)

在原始開(kāi)關(guān)頻率附近實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)功能需考慮以下因素：

tS: 必須考慮RBW的穩(wěn)定時(shí)間。如果頻率改變的時(shí)間（調(diào)制頻率fMOD)長(zhǎng)于tS，則 FSS 無(wú)法實(shí)現(xiàn)衰減。

RBW: 如果抖動(dòng)頻率(fSPAN)小于RBW，則頻率在濾波器的帶寬內(nèi)抖動(dòng)，且FSS衰減為零。

根據(jù)上述兩個(gè)原則可以得出結(jié)論：fSPAN必須大于RBW，可通過(guò)公式 (3) 來(lái)表示：

同時(shí)，fMOD必須大于tS的倒數(shù)，可用公式 (4) 來(lái)估算：

頻率變化(fSPAN x fMOD)可通過(guò)公式 (5) 來(lái)計(jì)算：

表 1 顯示了在特定 RBW 內(nèi)實(shí)現(xiàn) FSS 的頻率變化值。

表 1：實(shí)現(xiàn)衰減的頻率變化值

image1104×207 26.2 KB

為生成白噪聲信號(hào)并符合上述兩個(gè)規(guī)則，我們需要在幾近零的周期內(nèi)從零抖動(dòng)到無(wú)窮大。由于在技術(shù)上不可能做到，因此抖動(dòng)頻率(fSPAN)應(yīng)介于原始fSW的 10% 到 20% 之間。這將提供足夠的fSPAN來(lái)確保良好衰減，并使 SMPS 保持在穩(wěn)定的工作點(diǎn)。

實(shí)際測(cè)量表明，當(dāng)調(diào)制頻率(fMOD)幾乎等于頻譜分析儀的 RBW 時(shí)，F(xiàn)SS 衰減最為有效。

例如，當(dāng)fSW為2MHz、fSPAN為20%時(shí)，fMOD和頻率變化如表 2 所示。

表2: 給定工作區(qū)域內(nèi)的頻率變化

image1099×153 16.4 KB

比較表1和表2可以看出，9kHz RWB和9kHz fMOD可以實(shí)現(xiàn)較大的衰減；120kHz RBW 則由于頻率變化太慢而衰減為 0。為了實(shí)現(xiàn) 120kHz RBW 的合理衰減，必須提高 FSS 頻率。

由于 FSS 始終調(diào)制為 SMPS 的開(kāi)關(guān)頻率，因此高諧波將自動(dòng)在其專用頻率處達(dá)到高頻變化（見(jiàn)表 3）。

表 3：SMPS 諧波的相應(yīng)頻率變化

image1102×250 53.3 KB

調(diào)制波形

建立fMOD和fSPAN之間的關(guān)聯(lián)之后，就可以開(kāi)始考慮調(diào)制波形。由于正常操作期間的頻率變化應(yīng)該是線性的，因此調(diào)制 FSS 的最簡(jiǎn)單方法是使用三角調(diào)制信號(hào)（見(jiàn)圖 5）。這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但在信號(hào)邊沿，特定時(shí)間范圍內(nèi)的頻率變化僅為上升或下降沿頻率變化的一半 (f/2)。

采用鋸齒波可以避免這種情況，因?yàn)殇忼X波的頻率變化在斜坡時(shí)為線性。收到最大fSW后，SMPS在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)將最大fSW變?yōu)樽钚SW。不過(guò)，這可能會(huì)導(dǎo)致控制環(huán)路不穩(wěn)定以及輸出電壓(VOUT)下沖或過(guò)沖。

因此，混合不同的波形（例如“Hershey’s Kiss”波形或階梯三角波形）可以在保持 SMPS 穩(wěn)定性的同時(shí)優(yōu)化衰減。

圖 6 顯示了不同的 FSS 調(diào)制波形。

image1860×546 75.1 KB

圖6:不同的 FSS 調(diào)制波形

所有這些波形都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是只能與一種特定的調(diào)制頻率(fMOD)一起使用。

根據(jù)前述的規(guī)則，fMOD應(yīng)在 RBW 的頻率范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)最佳衰減。查看 CISPR 25 規(guī)范可知，SMPS 開(kāi)發(fā)人員需關(guān)注兩個(gè)非常重要的頻率區(qū)域：

拉桿天線測(cè)量，頻率范圍為 150kHz 至 30MHz，RBW 為 9kHz。

雙錐天線測(cè)量，頻率范圍為 30MHz 至 300MHz，嚴(yán)格限制 RBW 為 120kHz。

這兩種測(cè)量采用了兩種不同的 RBW，而FSS fMOD只能針對(duì)一種特定頻率區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。

為了優(yōu)化全頻域的 FSS，MPQ4371-AEC1 1 提供雙 FSS 調(diào)制（見(jiàn)圖 7）。

image1052×685 49.9 KB

圖7: MPQ4371-AEC1 的雙FSS調(diào)制波形

使用此調(diào)制波形可在低頻 (LF) 和高頻 (HF) 頻譜內(nèi)均發(fā)揮FSS 的優(yōu)勢(shì)。主載波(fMOD(LF))頻率為 15kHz，經(jīng)拉桿天線測(cè)量?jī)?yōu)化可在 SMPS 頻譜上實(shí)現(xiàn)衰減。理想情況下，fMOD(LF)應(yīng)為 9kHz，但該頻率可能會(huì)導(dǎo)致 SMPS 產(chǎn)生可聞噪聲。為避免這種情況，可將fMOD(LF)增加到 15kHz，從而提供與 9kHz 調(diào)制頻率幾乎相同的衰減，同時(shí)避免可聞噪聲。第二個(gè)頻率在 120kHz 的載波頻率上調(diào)制，它為雙錐天線測(cè)量提供額外的衰減。利用雙 FSS 調(diào)制可以為每個(gè)給定用例調(diào)整特定調(diào)制頻率的fSPAN 。MPQ4371-AEC1 1 提供了八種不同的 FSS 選項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的微調(diào)（見(jiàn)表 4）。

表4: MPQ4371-AEC1的FSS選項(xiàng)

image1104×433 47.5 KB

實(shí)際測(cè)量
為了展示不同類型 FSS 的效果，我們可以在具有相同設(shè)置的真實(shí)評(píng)估板上比較不同版本的 MPQ4371-AEC1 1。MPQ4371-AEC1 1 (1) 的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估板用于 CISPR 25 EMC 暗室，測(cè)量的頻率范圍在 150kHz 至 1GHz 之間。為了比較 FSS 效果，我們測(cè)試了三種模式：

不帶FSS 的MPQ4371-AEC1（綠色跡線）

具有 15kHz FSS 和 ±10% 跨度的MPQ4371-AEC1（藍(lán)色跡線）

具有雙FSS 的MPQ4371-AEC1：15kHz FSS 和±6.2% 跨度，以及120kHz FSS 和±2.5% 跨度（黃色跡線）

注：

聯(lián)系 MPS FAE可了解此評(píng)估板的詳細(xì)信息。

在上述三種模式之下，MPQ4371-AEC1 1 均具有2.2MHz fSW和 3A 負(fù)載。圖 8 顯示了通過(guò)拉桿天線方法（RBW 為 9kHz）獲得的測(cè)量結(jié)果。

image1533×858 80.7 KB

圖 8：三種不同類型 FSS（拉桿天線）的 EMC 測(cè)量

圖 9 顯示了 30MHz 至 1GHz 頻率范圍內(nèi) 、RBW 為 120kHz時(shí)的 EMC 頻譜。

image1527×856 82.9 KB

圖 9：三種不同類型 FSS（雙錐天線和對(duì)數(shù)周期天線）的 EMC 測(cè)量

從圖 8 和圖 9可以看出，F(xiàn)SS 可以對(duì) SMPS 的頻譜產(chǎn)生巨大的影響。特別是拉桿天線測(cè)量，F(xiàn)SS可以有效降低基波開(kāi)關(guān)頻率和一次諧波的峰值。在這種場(chǎng)景下，可以實(shí)現(xiàn)了 14dB 的最大衰減。

對(duì)拉桿天線測(cè)量來(lái)說(shuō)，15kHz 單FSS比雙 FSS 方法更有效，因?yàn)檫@種調(diào)制的頻率跨度更大（單 FSS 為 10%，雙 FSS 為 6.2%）。

但對(duì)更高頻率而言，雙 FSS 方法更有效，尤其是在 40MHz 至 140MHz 的范圍內(nèi)。由于fMOD保持在 RBW 范圍之內(nèi)，雙 FSS 可提供高達(dá) 3dB 的額外衰減。

總結(jié)

頻譜擴(kuò)展是實(shí)現(xiàn)SMPS 頻譜衰減的一種有效方法。但必須注意調(diào)制頻率和頻率跨度，這兩個(gè)因素有可能導(dǎo)致完全沒(méi)有衰減。此外，調(diào)制波形也很重要，使用單 FSS 或雙 FSS 會(huì)影響不同的頻率區(qū)域，而每種特定的波形（例如三角波或鋸齒波）也會(huì)影響 SMPS 的穩(wěn)定性。

總而言之，F(xiàn)SS的應(yīng)用應(yīng)視具體情況而定。調(diào)整FSS，以在最敏感的頻率區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)SMPS 頻譜的最大衰減。MPQ4371-AEC1 1可提供8 種不同的 FSS 選項(xiàng)，不失為一種理想的選擇方案。立即訪問(wèn) MPS 網(wǎng)站，找到滿足您設(shè)計(jì)需求的汽車級(jí)降壓變換器。

審核編輯 黃宇