应用于开关电源芯片的频率抖动技术

孙大成

（中国电子科技集团公司第47研究所，沈阳110032）



应用于开关电源芯片的频率抖动技术

孙大成

（中国电子科技集团公司第47研究所，沈阳110032）

摘要：为了减小开关电源中的电磁干扰（EMI），研究了单片开关电源中的频率抖动技术，并简要介绍了频率抖动技术及其原理。设计一个具有频率抖动功能的弛张振荡器，分析了以弛张振荡器原理为基础具有频率抖动功能的振荡器结构设计和原理。通过HSPICE仿真分析电路频谱，结果表明频率抖动技术能有效削减方波的各次谐波幅值，从而达到抑制电磁干扰的效果。重点从抖动范围、抖动周期两方面讨论频率抖动模型，频谱对比分析结果表明抖动范围±7％、抖动周期为128T的抖动模型，其谐波至少下降6 dB以上，高次谐波的峰值下降更为明显，满足6 dB工程裕量的要求，能有效抑制电磁干扰。

关键词：开关电源；脉冲宽度调制；频率抖动；电磁干扰；振荡器；频谱分析

1　引言

开关电源诸多的优点和重要性使其得到大量应用，目前生产的开关电源多数采用脉冲宽度调制方式，要求其性能不断提高。采用脉冲宽度（PWM）调制方式的开关电源的开关频率越来越高，在高频开关波形中的大量谐波峰值辐射成分通过传输线传播和空间电磁场向外传播，从而造成了不可忽视的传导和辐射干扰的问题。如何减小电磁干扰（EMI）成为开关电源设计中的一个难点。在EMI测试结果中可以发现，开关电源在开关频点及其倍频处通常容易超过EMI限值，而在其他频率点上却往往具有较大的裕量，因此人们从这一角度提出频率抖动技术[1]。与常用的抗干扰技术相比，频率抖动技术（frequency jitter）是一种从分散谐波干扰能量着手解决电磁干扰（EMI）问题的新方法。该方法采用频率调制技术，其原理是将主开关频率进行调制，在主频带周围产生一系列的边频带，从而将噪声能量分布在很宽的频带上，降低了干扰。这种控制方法的关键是对频率进行调制，使开关能量分布在边频带的范围，且幅值受调制系数β的影响，一般β越大调制效果越好[2]。

2　频率抖动技术及其原理

频率抖动技术是相对于固定开关频率和变化占空比的PWM控制方法而言[3]。主要是指开关频率随时间在一定范围内来回变化，也就是使其间的开关频率从fMIN递增到fMAX，再从fMAX递减到fMIN。图1为频率抖动示意图。频率抖动技术是一种通过扩展各谐波的频带分散谐波干扰能量，改善EMI问题的方法[6]。

图1　频率抖动示意图

如图2所示，周期干扰信号的频谱是离散型，各谱线高度为各次谐波的幅值，谱线间的距离为基波频率的整数倍。采用频率抖动技术，基波频率变化幅度为±m kHz，二次谐波变化幅度为±2m kHz……，n次谐波变化幅度为nm kHz。频率抖动的实质在于对载波频率的调制，因而基础在于频率调制理论，从图2中我们可以看到谐波次数越高，频率分散越大，根据Parseval定理，只要保证信号时域的能量不变，则频域能量是守恒的，这意味着若扩展开关频率及其谐波频率处的频带，则必然降低扩展后的分量峰值，从而减少EMI水平[4]。下面简要介绍频率抖动原理[5]。

设未调制的载波信号表达式为：

调制波的表达式为：

则有调频波的一般表达式为：

式中，mf=max（ΔfC）/fM，称为调频波的调制指数。ΔfC为载波频率的偏移量；fM为调制波频率。取φ0=0，则调频波的表达式变为：

图2　频谱展宽示意图

图3　Jn（mf）与mf的关系曲线

图3显示出了Jn（mf）随mf的变化。图中J0～J5表示调制后原载波频率及分散开的边带中旁频分量对应的电压幅度，负值表示相位相差π。任意阶次谐波分量都可以得到类似于式（4）的结果。由式（4）可知，调频后的频带被展宽，相邻边带的距离ωM=2πfM，各自谐波及旁频分量峰值有所下降。调频波的频谱结构与mf有密切关系，mf越大，频谱分量离散中心频率越大，Jn（mf）越接近零，频谱就展得越宽，相应分量的幅值也越低。扩频后的带宽通常由Carson准则进行估算，即：

对于载波的n阶谐波而言，mf（n）=n·mf。Carson准则对每阶谐波的带宽估算仍适用，即BW≈2（n·mf+1）fM，如果阶数足够大，则相邻谐波的边频会发生重叠现象，这样高阶谐波的频谱峰值大大削减将变得均匀，但是平均幅值会被抬高[3]。

3　电路设计

笔者设计了一种带频率抖动功能的张驰振荡器电路。振荡器电路结构主要包括电压比较器、集成电容器、电容器充放电电路、频率抖动电路和控制电路等。

图4　振荡器电路结构

弛张振荡器也称弛张充放电振荡器，是一种非调谐振荡器结构，在PWM电源和电容传感器中都有广泛的应用[7～8]。驰张振荡器内含非线性元件（如电容器），可以周期性地把其能量释放出来，使得输出信号波形瞬间改变。一般用来产生方波、三角波等。带频率抖动功能的弛张振荡器的电路图如图5所示，主要由两个比较器、集成电容器C、控制电路、电容器充放电电流源等构成。

如图5所示的电路图，从左至右分别是提供比较器参考电压的基准电压源输入电路；其次是双输入电压比较器，比较器的输出经两个反相器后输出方波；其右边五排并联的支路是周期变化的频率抖动控制电路，提供周期性变化的电流，控制端口由128计数器电路控制；最右边是带修调电流源电路，为振荡器电容充电提供恒定电流。

图5　带频率抖动功能的弛张振荡器

4　电路频谱分析

对所设计的电路进行Hspice仿真验证，图6是振荡器正常工作时序仿真结果，锯齿波形是电容器极板波形。震荡输出频率如下：fMAX≈70 kHz，fMIN≈60 kHz，频率中心值约为65 kHz，抖动范围约为±7％。输出方波的占空比约为45％。

如图7所示，传统的张驰振荡器电路输出方波频谱的基波呈单峰状，加了抖动的方波频谱明显被扩展，且频谱幅度明显降低，能量更均匀分布在更宽的频带中。

图6　振荡器输出方波及电容器锯齿波波形图

表1、表2、表3分别是对不同频率抖动范围和抖动周期仿真的谐波峰值统计结果。

图7　输出频率抖动与未加抖动的频谱对比图

表1　抖动模型基波峰值结果（T≈1/65 kHz）

表2　抖动模型二次谐波峰值结果（T≈1/130 kHz）

表3　抖动模型三次谐波峰值结果（T≈1/195 kHz）

从表中可得到如下结论：在相同的抖动周期下，抖动范围越大，谐波的峰值下降越大，对高次谐波的抑制越明显。在相同的抖动范围，抖动周期越大，对高次谐波的抑制效果越好。

5　结束语

笔者设计了一种在开关电源芯片中具有频率抖动输出的振荡器，并重点对频率抖动技术进行研究。设计的振荡器中心频率为65 kHz、频率抖动范围±7％。在对未加频率抖动和加频率抖动的振荡器输出方波频谱结果对比分析后得知，加频率抖动的方波频谱，其谐波至少下降6 dB以上，高次谐波的峰值下降更为明显，满足6 dB工程裕量的要求，能有效地抑制电磁干扰。

在频率抖动模型的讨论中，分别从抖动范围（± 7％、±5％、±3％）和抖动周期（64T、32T、128T）两方面进行仿真对比分析。结果显示，在相同的抖动周期抖动范围越大，谐波分量下降的效果越明显，在6 dB工程裕量的要求下，抖动范围大于5％即可满足；在相同的抖动范围抖动周期越大，抑制高次谐波分量的效果越好。增大抖动范围对EMI的抑制能力比增大抖动周期更为有效，更大的抖动周期对较高阶次的谐波抑制更为有效。但是，抖动范围过大时，频率偏离中心频率过大，造成时钟的不稳定性，且振荡器输出的方波纹波更大，为开关电源系统稳定性带来隐患。抖动周期较大时，对抑制EMI效果提升也不明显，且会增大芯片面积。在抖动范围为7％时，很容易满足辐射能量6 dB的工程裕量要求。

参考文献：

[1] Sanjaya Maniktala著，王志强译.精通开关电源设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[2]周志敏，周纪海，等.单片开关电源——应用电路·电磁兼容·PCB布线（修订版）[M].北京:电子工业出版社, 2007. 268-348.

[3]卢杰，邝小飞.频率抖动技术在开关电源振荡器中的实现[J].物联网技术, 2014（12）.

[4]侯君，王危.一种多工作模式的带有频率抖动的振荡器[J].电子科技大学研究生学报，2011（85）:159-162.

[5]周正，王世山.频率抖动技术抑制变换器输入电流电磁干扰[J].电子电力技术，41（12）: 14-19.

[6]姜树法，张国俊.一种带频率抖动功能的振荡器电路的设计[J].微电子学, 2013（04）.

[7]余清华，宋健，代杰.一种基于恒压源充放电的高精度张弛振荡器的设计[J].电子世界，2011（09）.

[8]郭攀峰，李欣，张红. PWM变频器的EMI抑制技术研究[J].电测与仪表，2015（14）.

孙大成（1977—），男，辽宁昌图人，毕业于电子科技大学微电子技术系，现任中国电子科技集团公司第四十七研究所综合计划部副主任，高级工程师，主研方向为集成电路设计。

The Research of Frequency Jitter Using in Monolithic Switching Power IC

SUN Dacheng
（China Electronics Technology Group Corporation No.47 Research Institute, Shenyang 110032,China）

Abstract：In order to reduce the electromagnetic interference（EMI）of switching power, the main content of this paper is the frequency jitter technology using in monolithic switching power supply, and briefly introduces the frequency jitter technology and its theory. The paper designs a relaxation oscillator which has the function of frequency jitter. Then we focused on the structure design and theory. of oscillator based on the theory of relaxation oscillator which has the function of frequency jitter. The result shows that the frequency jitter technology could effectively decrease the magnitude of all kinds of harmonic waves and we could achieve of goal of eliminating electromagnetic interference. What's more, we mainly discuss the frequency jitter model from jitter range and jitter period, and the result of spectrum analysis indicates that the harmonic waves of the jitter model which the jitter range is±7％ and the jitter period is 128T can decrease 6 dB at least and the peak value of higher harmonic decrease more obviously. It meets 6 dB engineering margin requirement, so that can eliminate the electromagnetic interference more effectively.

Keywords:switching power supply; PWM; frequency jitter; EMI; oscillator; spectrum analysis

作者简介：

收稿日期：2015-12-15

中图分类号：TN432

文献标识码：A

文章编号：1681-1070（2016）03-0037-04