频率抖动技术带来的传导骚扰问题【EMC学习】
【现象描述】
某工业产品采用 DC 24 V 供电,内部工作电 路的5V 工作电压由 DC/DC 开关电源得到, 开关电源原理图如下图1所示(图中省略了电源输出口的滤波电路及后级电路)。
该产品第一次设计时,电源的负载较大时 (500mA ) ,测试该产品电源端口的传导骚扰,其中0.17457 MHz频点的骚扰余量只有2.37dB。
后来一些设计的变化,使该产品在正常工作时,电源负载变小为300 mA, 此时测试该产品电源端口的传导骚扰,意外地发现150 kHz 频点辐射变高了,超过限值线 3. 64 dB。
由此带来两个疑问:
(1) 为什么当电源负载较小时 (300 mA) (即开关频率抖动工作时), 大部分频点的传导骚扰水平会变低,而且频谱曲线会变得比较平滑?
(2) 为什么150 kHz 频率点传导骚扰水平反而会变高, 并超过限值线?
【原因分析】
查阅该开关电源芯片的资料发现,该电源在负载较小时(如300 mA) ,采用开关频率抖动技术(即开关频率是在工作中变动的,)负载较大时(如500 mA ),开关频率就稳定在某一频点上。
解释频率抖动技术给开关电源传导骚扰带来的好处,首先从信号的本质说起。信号有两种主要形式:非周期信号(如数据信号、地址信号及一些随机产生的信号)和周期信号(如电源开关信号、数字周期信号(CLK))。周期信号每个取样段的频谱都是一样的,所以它的频谱呈离散型,但是强度大,通常称为窄带噪声。而非周期信号每个取样段的频谱不一样,其频谱很宽,而且强度较弱,通常被称为宽带噪声。在开关电源中,PWM信号通常是具有固定频率的矩形脉冲,其频谱成分包含有高次谐波,所以在 PWM 信号的基波及谐波频率上的骚扰水平会比较高。
为什么频率抖动可以减小传导骚扰水平?频率抖动技术可以使骚扰水平降低 7 ~20 dB。频率抖动范围越大,这种降低骚扰水平的效果越显著。
频率抖动对传导骚扰和辐射骚扰的作用可以用以下方式来估算。
为了简化分析,只考现在可以很清楚地回答第一个疑问, 即当电源负载较小时 (300 mA)(开关频率抖动工作时),大部分频点的传导骚扰水平会变低,除了电源本身功耗较小而导致骚扰水平降低外,更重要的原因是频率产生抖动后,使在原来固定频率时一些特定频点(谐波频点)上脉冲出现的次数减少(这里的脉冲是频谱意义上的脉冲,即在某一个频率点上的一次能量冲击)。
把本该集中在同一频率带的辐射频谱分散到更多的频带,以降低原来固定频率时,一些谐波频点上的骚扰电平。因为频谱是束状分布的,束与束之间有很多的空隙。振荡频率抖动的结果是信号的频谱带宽变宽,峰值降低。同时进行传导骚扰测试时使用的接收设备的接收带宽为一定的,当谱线变宽时,一部分能量在接收机的接收带宽以外,也会使测量值变小。
频谱曲线会变得比较平滑是因为,频率抖动使频谱带宽变宽, 而分散能量,但是频率带宽宽度大于传导骚扰测试时的扫描步进 ( Step Wide ) 时,就出现了比较平滑的频谱曲线。
至于第二个疑间,150 kHz频率点传导骚扰水平反而会变高, 是因为原来固定频率工作时,能量比较集中在一些(固定开关频率的基波和谐波)频率点上,但是这些集中的频率点并不在150 kHz 频率点上, 当频率抖动时, 150 k Hz 频率点L 也分配到了被分散的能量, 骚扰水平在这点还有其他类似的点上变高 6 同时该产品的传导骚扰限值在150 kHz 频率点上跳变,根据标准,当限值在某点上发生跳变时,取较低的值为限值,所以该点的限值也相对较低,也是造成传导骚扰超标的原因。
【处理措施】
该开关电源在负载较大(500 mA) 时,虽然总体传导骚扰水平较高,但是还能满足该产品标准中规定的限值线要求,所以在产品设计时,在电源上接一假负载,使该产品正常工作时, 功耗在500 mA。接上假负载后的传导骚扰测试通过。
【思考与启示】
(1) 频率抖动技术通常是有利于 EMI 测试的通过,但是本案例正好是个特例,这也说明产品的设计需要权衡。
(2) 频率抖动的效果仅是使设备容易通过 EMI 试验,其在整个频率范围内的骚扰能量并没有改变。它只是将比较集中的能量分散在较宽的频带上。
(3 ) 频率抖动技术与低通滤波技术都可以降低周期信号的骚扰,但是并不能绝对评价哪一种技术更好。
注:以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》