抖频技术对传导EMI抑制效果的影响研究综述

抖频技术对传导EMI抑制效果的影响研究综述摘要随着开关电源向高频化发展传导电磁干扰EMI的抑制成为关键挑战。抖频调制Frequency Jitter技术通过扩展开关噪声的频谱能量成为经济有效的抑制手段其效果核心取决于调制频率fm与调制系数mf两大参数。现有研究虽广泛探讨了这两个参数对理想频谱的影响规律但在评估其实际传导EMI抑制效能时普遍忽略了标准测试中线路阻抗稳定网络LISN及其特定带通滤波器带宽如CISPR 22规定的9kHz这一关键测量约束。LISN的带宽本质是一个测量窗口会直接影响对分散后频谱能量的捕获与读数从而使得在理想频谱分析中得到的参数优化结论与实际测量结果之间产生偏差。本综述系统梳理了抖频调制技术的基本原理及fm、mf参数的影响机制重点评述了现有研究在考量LISN测试条件方面的不足进而指出在精确纳入LISN带通滤波器带宽特性的前提下重新建立抖频调制参数与最终传导EMI测量值之间的定量关系模型对提升抖频技术的应用效能具有明确的理论与实际意义。1引言开关电源switch-mode power supply相较于线性电源具有诸多优势包括更高的效率、更小的体积重量以及能够将输出电压提升至高于输入电压。但这些优势也带来了显著缺陷——噪声问题。由于较高的dvdt和didt、电路中存在的寄生电感和电容使开关电源的电磁干扰噪声较难消除。一般在EMI测试结果中可以发现开关电源在开关时刻通常容易超过EMI限值而在其它频率点上却往往具有较大的裕量。因此人们又从另一角度开发新的EMC技术如何通过各种方式降低开关时刻的EMI发射能量将对应的能量移到具有EMI发射裕量的那些频段上去。与传统的抑制电磁干扰的措施如减小漏感和分布电容或者是增加一些滤波器件等技术相比。频率抖动(jitter frequency)技术[1]不是从减少分布参数这种极难的工艺角度解决电磁兼容问题也不是采用滤波这样的使干扰旁路的方式这样的设计方式不仅增加设备重量与成本还常残留开关电流导致系统无法通过电磁兼容性测试[2]而是从EMI测试仪器测试的原理出发使集中的频谱能量分散化的角度来实现“频谱搬移”可为合规提供解决方案既无需增加滤波成本也可解决电磁兼容问题。2 抖频调制技术抑制传导EMI的基本原理2.1. 传导EMI的产生与测试基础在开关电源中EMI问题主要取决于三要素干扰源、噪声传播路径Noise Path、EMI接收机。传导干扰可以分为共模干扰和差模干扰两种。共模噪声Common Mode NoiseCM Noise又称为对地噪声或同步噪声是指存在于两根电源线与地之间的噪声共模噪声主要由快速电压变化即dv/dt引起。差模噪声Differential Mode NoiseDM Noise又称为常模噪声或线路间噪声是存在于两根电源线之间的噪声。这种类型的噪声是由于噪声源对电源线以串联的方式进入且噪声电流的方向与电源电流的方向相同但由于在往返路径上方向相反因此被称为“差模”。一般而言噪声源主要是产生在待测试的电子设备然后通过与之相连的电源线传递到周围的公共电源网络中从而对电源网络中的其他电子设备产生影响。这里的电源噪声会经过连接在公共电源网络和待测试电子设备之间的线性阻抗稳定网络Line Impedance StabilizationNetworkLISN接着就会被LISN提取到然后被连接在LISN上面的频谱仪测试最终得到噪声源的EMI测试图并测得的信号包括线与线之间的差模信号VCM以及线与地之间的共模信号VDM,如图2-1所示。图2-1 差模和共模信号噪声传播路径在电子设备的传导电磁干扰噪声的测试中LISN都是必不可少的一环它的主要作用是滤除公共电源网络中的噪声确保待测试噪声的准确性并且确保电子设备的噪声能够被EMI频谱分析仪所接收最后显示出最后的频谱分析图。图1-2就是LISN简化的内部结构示意图在整个电路结构中Lf和Cf形成了低频段的滤波结构网络这个结构的主要作用是使得低频的输入信号能够顺利地通过LISN这部分的噪声是不希望被采样到的因为这里的噪声频率不够高而开关电源产生的高频噪声信号是会被呈现在EMI频谱分析仪上的这部分的噪声信号会通过高频的耦合电容Cc最后被后面的检测电阻Rs采样接收到使被测设备产生的高频干扰能很好地耦合至测量接收机[3]。EMI的频谱分析仪接收来自VL和Vs检测得到的电磁干扰幅值它的单位为dBµV。在这里差模和共模的电压分别被定义为上式中VL和Vs分别指代电阻RL和Rs两端产生的电压。图1-2 LISN简化的内部结构示意图2.2. 电磁干扰测试标准目前国际无线电干扰特别委员会CISPR为美国联邦通信委员会FCC分别制定的CISPR22和FCC标准已分别在欧洲和北美使用。欧洲的EN55022标准等同于CISPR22标准。A级为工业级B级为民用级B级标准比A级标准严格。其中150kHz30MHz为传导测量范围30MHz1GHz为辐射测量范围[1]具体如下表所示。图2-4 频率调制文献[4]研究了三种基本调制信号正弦波、指数波和三角波由这三种信号调制后的典型频谱特征可知当未调制信号的幅度设定为0dB时调制信号的最大幅度反映了频率调制引起的峰值幅度衰减程度。由于三角调制信号具有平坦边带谐波频谱因此在相同调制系数mf下其峰值幅度衰减程度应高于另外两种信号。与非调制信号相比频率调制信号的峰值幅度衰减程度与mf成函数关系且与调频频率fm无关该衰减程度mf升高而增强。如图2-5所示时域(左)显示了调制三角波形的一个周期其中fC是载波开关频率fm是调制频率而ΔfC是开关频率偏离fC的距离。频域右可以直观看出来频谱能量调制后在开关周围展开而降低了。图2-5 时域和频域调制3抖频调制参数对传导EMI影响的研究现状3.1调制频率fm的影响研究文献方法核心电路关于fₘ影响的主要结论[5]三角波调制反激调制频率需与反馈环路穿越频率匹配。当调制频率小于穿越频率时调制被环路完全抑制EMI无改善当调制频率大于穿越频率的前提下调制系数mf越大频谱扩展越宽EMI峰值降低越显著。如图3-13-23.2调制系数mf的影响研究文献研究方法核心电路是否明确考虑LISN/检测带宽关于fₘ影响的主要结论[5]3.3性能评估参数小结4总结与展望系统性地总结抖频技术的原理、分类、实现及研究现状。参考文献​李芊.采用频率抖动技术减小EMI[J].电子设计工程, 2001, 001(012):63-64.Rice J , Gehrke D , Segal M .Understanding Noise-Spreading Techniques and their Effects in Switch-Mode Power Applications[J]. 2013.马敏.EMC试验中LISN的原理及其参数校准[J].电子工艺技术,2023,44(04):48-51.Cai L , Yang Z , Chen W .EMI reduction of switching power supply by frequency jitter[J].IEEE, 2005.宋海斌章进法许道飞.频率调制技术在准谐振反激变换器中的设计原则[J].中国电源学会第二十三届学术年会论文集,2012.