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为什么抖频技术可以降低EMI呢?

6月前浏览13153

频率抖动技术是一种降低开关电源电磁干扰(EMI)的有效方法,通过周期性变化开关频率分散谐波能量。它适用于高频数字电路,通过“频谱搬移”降低EMI发射能量,并移至EMI发射裕量较大的频段。模拟显示,抖频信号的EMI测试曲线高频段幅值低且平滑,易于满足工程裕量要求。因此,频率抖动技术对提高开关电源工作可靠性具有重要意义。

由于采用脉宽调制(PWM)控制方式的开关电源的开关频率不断提高,使其高频开关波形中的大量谐波成分通过传输线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问题。

随着通讯及控制技术的发展,各种高频数字电路对开关电源电磁兼容性(EMC)的要求更加严格,如何减小电磁干扰(EMI)成为开关电源设计中的一个难点。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EMI问题的新方法。频率抖动技术是一种通过改善控制技术来优化性能的新方法,该方法首先在高频数字电路中开始使用,现在已被集成开关电源芯片所采用而大量应用于小功率开关电源产品中,从而为抑制开关电源的电磁干扰提供了一种新的思路。

频率抖动技术是指开关电源的工作频率并非固定不变,而是周期性地变化来减小电磁干扰的一种方法。以下以TOPGX功率集成芯片为例,结合电磁干扰的产生机理和测量方法来说明频率抖动技术的工作原理及作用。

从字面上来理解也就是开关频率在一定范围内进行波动,也就是说是在一定范围内的变频,在工程上,将这种能够有效降低开关电源EMI的技术称之为抖频又称之为展频。

这个技术是用来做什么的呢?

简单来说,就是为了降低电源电路的电磁干扰,以提高开关电源的工作可靠性。使用降低EMI的方式有:(1)从硬件方向:滤波,减小寄生参数等。(2)从软件的方向:调制策略,软件滤波等。

具体来说: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 EMI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(称为“频谱搬移”)。与传统的抑制电磁干扰的措施较难消除。

从下图频谱图可以看出,通过谐波分析可以得到,谐波集中在开关频率及其倍频处,在开关频率及其倍频处(conventional clock)频谱中谐波幅值已经超过一般限制(regulatory limit),无法达到生产以及使用标准,抖频技术就是使开关频率在固定频率的附近波动(conventional clock),从而将固定频率(conventional clock)谐波的幅值拉低,扩展到波动范围的频谱中,从而让谐波噪声满足一般标准(改变频率不改变能量,能量从一个个离散的频率点分布到了一个连续的区间,从而拉低了固定单点频率(conventional clock)的幅值)。

下图是开关电源常使用的频率线性变化范围,为固定频率2.2MHz的+/-10%,这个范围也是抖频中常使用的范围。

用CST来看下抖频技术为什么可以降低EMI,使用本人写的脚本生成抖频信号

如果有对这个脚本感兴趣的可以私信我

我们对比下抖频信号和固定方波信号驱动MOSFET的Vds信号频谱,简单的进行傅里叶变换。送色是抖频信号,绿色是PWM信号。

总结

一般来说,采用抖频技术时,由于将离散的频谱分布在一定的频带内,从而使得频谱在一些频段内趋于连续,所以EMI测试曲线在高频段幅值低并且变得光滑,从而辐射即使要求6dB的工程裕量也很容易通过,从上面 EMI传导辐射测试曲线比较中可以明显看出,采用抖频技术减小 EMI的效果很明显。

来源:CST电磁兼容性仿真
寄生参数电源电路电磁兼容芯片CST控制
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-05-14
最近编辑:6月前
希格斯玻色子
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让CST告诉你为什么高速信号换层时需要放伴随地过孔

本文摘要:(由ai生成)本文讨论了高速信号在多层PCB设计中换层时伴随地过孔的重要性。仿真结果显示,放置伴随地过孔可显著减少换层处的EMI辐射,因为伴随地过孔能引导电流沿最小阻抗路径回流。反之,缺少伴随地过孔会导致电流聚集并增加辐射。本文分析基于个人理解,旨在强调伴随地过孔在高速PCB设计中的关键作用,并欢迎业界指正和讨论。大家好,我是CST电磁兼容性仿真。这是我的第58篇原创文章。为避免错过干货知识,欢迎关注公 众号,共同学习,共同进步!今天小编聊一聊高速信号换层时为什么需要放伴随地过孔。高速信号伴随地过孔在电路设计中扮演着重要的角色,特别是在高频率、高速数字信号传输中。以下是高速信号伴随地过孔的几个作用:提供地连接:在多层PCB(Printed Circuit Board,印刷电路板)设计中,地平面通常会被分割成多个区域,这可能导致地连接不足。通过使用地过孔,可以有效地连接这些地区域,提供更好的地连接,降低地回流的阻抗,减少信号环路。减少地回流路径:在高速信号传输中,信号和地回流路径的长度、面积和阻抗都对信号的传输性能有影响。通过在信号线和地层之间引入地过孔,可以减少地回流路径的长度,降低其阻抗,从而降低信号传输中的信号失真和串扰。提供局部电容:地过孔在信号线和地层之间形成了一个局部电容。这个电容可以帮助提供信号的电源去耦和滤波效果,降低信号线上的噪声和干扰。防止电磁干扰:地过孔可以在信号线和地层之间形成一个隔离层,防止电磁干扰的传播。这有助于减少信号线上的串扰和噪声,提高信号的传输质量。综上所述,高速信号伴随地过孔在高频率、高速数字信号传输中起到了连接地、降低地回流路径阻抗、提供局部电容和防止电磁干扰等重要作用,有助于提高电路的性能和可靠性。当信号在传输过程中换层时返回电流是怎么流动的?如图四层板的横截面。其中信号路径从第一层开始,然后通过过孔到第四层。返回电流将从的第三层切换到第二层。那么通过CST仿真来看一看加不加伴随地过孔对EMI辐射发射有什么影响如下图,一个高速信号的八层板,仿真的信号速率1000Mbit/s。信号从发射端出发从TOP层换层到第六层信号层再换层到BOTTOM层的接收端。第二层和第七层是GND层。用CST分别来仿真放置伴随地过孔和不放置伴随地过孔的PCB的电场强度。如图左边是放置伴随地过孔,右边是不放置伴随地过孔。仿真结果为了方便查看和对比电场强度,电场范围我都设置的-85~-150dB(V/m)从图中仿真结果可以看到,放置伴随地过孔最大电场强度:-93dB(V/m),而不放置伴随地过孔最大电场强度-86dB(V/m)。另外每一个过孔附近的电场强度颜色都是不放置伴随地过孔更强更深。说明不放置伴随地过孔会导致信号换层的地方发射电场更强,有可能带来EMI辐射发射问题。那么这是什么原因导致的呢?小编认为的原因是:高速信号的回流路径总是找它的最小阻抗路径,电流总会通过地平面上沿着信号线传输路径回流到发射端。由于在信号换层的过孔周围没有GND的伴随地过孔,也就是信号回流的最小阻抗路径走不通,导致大量的电流聚集在过孔附近。此时PCB形成一个偶极子天线。从而将信号向外辐射。如果此时给它放置伴随地过孔,电流就会很舒服从它的最小阻抗路径回流到发射端,此时电流环路最小,电场强度与电流回路面积成正比,所以此时辐射发射也是最小。以上是小编的个人理解,一家之言,仅供参考。有说的不好和不对的地方还请多多指正,多多包涵。非常感谢您的观看。来源:CST电磁兼容性仿真

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