频率抖动：性能优劣由您决定

引言

设计满足电磁兼容性(EMC)要求的功率转换器对于工程师来说，会是一个艰巨的挑战。没有什么可以替代良好的规划、设计和滤波步骤。通常直到开发过程的后期才能测量到功率转换器的发射量，而那时也意味着功率转换器已被集成到最终完成的组件或系统中。通常情况下，这时再添加额外滤波元件的空间会非常有限，与此同时，也没有可用于重新设计的时间。在设计周期后期再寻找满足EMC需求的解决方案，可能会非常昂贵和费时。降低峰值放射并可能满足EMC需求的一个相对简单的方法就是采用时钟抖动电路。这种有争议的方法是否是“谎报技术规格”，或者换一种角度，这种方法是否是减少后期设计中的更改，并保证设计时间的一种聪明的做法？

抖动的优点和缺点

在固定频率(时钟控制)功率转换器中，窄带发射通常发生在开关频率，其连续谐波的能量也越来越低。

抖动振荡器频率会导致功率转换器不在单个固定频率下工作，而是在变化的频带上工作。由于EMI发射分布在较广的频率范围而不是在窄带频率下工作，因此可降低EMI发射的峰值。此外，抖动振荡器也将降低谐波频率(即为开关频率倍数的频率)的峰值。发射量的减少取决于调制频率的选择(抖动率)、抖动带宽以及接收器的分辨带宽。通过正确选择上述参数，可降低EMI发射10dB或更多。

频率抖动对降低高频(几兆赫兹)非谐波发射起到的作用微乎其微。这些发射是由于寄生LC电路、二极管反向恢复电流等在交换节点的振铃导致的。添加缓冲器、栅极驱动电阻器或使用软恢复二极管是降低这些发射的常见的解决方法。

此外，抖动振荡器将给输出电压添加少量纹波。这种输出电压纹波的频率等于抖动频率，通常远小于由于电容ESR和电感电流产生的输出电压纹波的频率(与开关频率相同)。当设置正确时，抖动产生的输出纹波的幅度与额定输出纹波的幅度相比相对较低。本文后面将介绍降压转换器环境中的这种纹波。

电阻编程控制器的可选抖动电路附加装置

大多数现代PWM控制器使用外部电阻来设置工作频率。通常情况下，工作频率随电阻值的降低而上升。控制器内部的振荡器编程引脚(RT)被调节为恒定电压 (在本文中为2V)。连接到编程引脚的编程电阻设置从编程引脚输出的电流源。比例电流还被馈送到内部的定时电容器，而定时电容器上斜坡电压的周期决定振荡器频率。

图1所示的外部抖动电路由基于振荡器的简单的独立比较器组成。


图1 低频振荡器调制PWM控制器振荡频率

此振荡器的工作频率配置约为800Hz。通电之后，比较器U2的输出状态升高。比较器正输入的初始阈值(由电阻器R1~R3设置)为2.9V。电容器C3 的电压倾斜上升至正阈值。当达到正阈值时，比较器的输出切换为低输出，这也会使比较器正输入的阈值降低至2.1V。电容器C3的电压现在向新阈值倾斜下降。一旦电容器电压达到较低的阈值，循环再次重复。C3电容器上的电压类似于三角波，最低谷为2.1V，峰值为2.9V。

通过让该三角波调制来自控制器RT引脚的电流，可实现PWM振荡器的抖动。电阻器R5用于设置施加在PWM振荡器基本频率上的调制抖动百分比。R5的右端固定为调节RT引脚电位2.0V。低频三角波通过耦合电容器C2出现在电阻器R5的左端。对于值为64.9KΩ的R3，通过该电阻器的峰对峰电流为 12mA。没有连接抖动电路时，来自RT引脚的额定电流为121mA。12mA的峰对峰抖动电流相当于10%的总调制。

具有抖动测量的降压控制器

使用LM5088-1的降压控制器显示了另一种抖动实现方法。此IC具有内置的±5%抖动功能。抖动引脚设置三角抖动频率，或可用于禁用抖动。如图2所示，CDither电容器用于产生三角波形。


图2 LM5088中的内置频率抖动原理图

此三角波用于操控振荡器电路，以使其调制由RT电阻器设置的额定工作频率的±5%。禁用抖动对正常电路调试非常有用，可稳定触发和观察电路节点。

传导发射是在评估板上测量的。基本工作频率大约为240kHz，由控制器的RT电阻器设置。图3中的深色轨迹线显示的是没有应用抖动电路的功率转换器的传导发射(在正输入电源线上)。


图3 使用和未使用振荡器抖动的DC-DC转换器的传导发射

正如预期的那样，峰值发射量局限于250kHz基本振荡器频率附近较窄的范围内。

然后，启用图2中所示的振荡器抖动电路。图3中的浅色轨迹线是应用了抖动电路的功率转换器的传导发射。现在是宽带而不是窄带发射，也就是说，发射已经遍布基本频率，且不只局限于基本频率。在此频带上测得的峰值降低了20dB(Y轴上的每个方框为10dB)。此测量的分辨带宽(RBW)设置为200Hz。观察到的抖动效果可能受RBW设置影响。为了观察抖动效果，必须将RBW设置为比抖动频率低几倍。许多EMC测试标准指定了特定频率范围内的RBW。因此，观察到的净抖动效果可能会减弱，这取决于RBW设置、基本振荡器频率和调制频率。

综上所述，抖动振荡电路将给输出电压添加较慢频率的纹波。通常这种纹波的幅度太小，以致无法通过开关噪声观察到它。图4所示为使用低通RC滤波器(R=10Ω、C=2µF)滤掉开关噪声后捕捉到的交流耦合输出电压。


图4 顶部轨迹线：用于设置LM5088中的抖动的三角波形
底部轨迹线：由于抖动在LM5088评估板上测得的低频输出纹波

它是通过将RC滤波器与输出电容器并联，并探测2µF电容器上的电压捕捉到的。如果抖动频率低于功率转换器的带宽，控制回路将尝试纠正此附加纹波。在显示的示例中，抖动频率为1.5kHz，LM5088评估板的带宽为15kHz。