頻譜擴展（FSS）功能：FSS在現(xiàn)代 SMPS 設計中的優(yōu)勢及局限性

現(xiàn)代乘用車不僅要將乘客從一個目的地運送到另一個目的地，還必須兼具通訊工具、電視、家庭影院、LED 照明中心甚至按摩院的功能?？蛻舻年P注點正在從馬力和加速能力等純粹的駕駛功能轉變?yōu)橥瑫r關注娛樂系統(tǒng)，例如多媒體觸屏尺寸和訪問移動網(wǎng)絡的能力。

未來的車輛必須能連接社交媒體、流媒體超高清視頻，隨時保持乘客在線狀態(tài)，同時為實現(xiàn)自動駕駛而與其他車輛、基礎設施和行人之間保持通信。最重要的是，車輛還必須保留原有的經(jīng)典功能，例如用于無線電調頻和 GPS 導航等功能的經(jīng)典電氣控制單元 (ECU)。這些都導致 ECU 的數(shù)量不斷增加。

汽車電氣化的發(fā)展需要高效率、功能強大的功率轉換解決方案，而這些解決方案應具備外形尺寸較小的電源。出色的效率和小尺寸外形要求電源具備高開關頻率，開關模式電源 (SMPS) 的開關點也需具備超快開關沿，而這給 EMC 工程師帶來了不小的挑戰(zhàn)。

本文將探討如何利用頻譜擴展(FSS)功能有效降低電源在特定頻段的 EMI 頻譜，同時討論其相關物理限制。

頻譜擴展 (FSS)功能介紹

我們通過 MPQ4371-AEC1 1等傳統(tǒng) SMPS 的頻譜來了解 FSS 的工作原理。MPQ4371-AEC1 1 是一款汽車級降壓穩(wěn)壓器，它通過零延遲(ZDPTM) 控制技術實現(xiàn)高達 11A 的連續(xù)輸出電流(IOUT)，開關頻率(fSW)可高達 2.5MHz。

圖 1 顯示了主 fSW 設置為 2.2MHz 時，該 SMPS 的頻譜。相應諧波計算公式為 (n x fSW)，其中n為相應的諧波。

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圖1: 傳統(tǒng)SMPS的頻譜

諧波功率隨測量頻率的升高而降低，并在約 400MHz 時消失在本底噪聲中。頻譜中的每個峰值（計算公式：n x fSW）均顯示其分辨率帶寬 (RBW) 和頻譜分析儀所使用的濾波器類型。

RBW 濾波器由最小和最大頻率以及濾波器階數(shù)定義。RBW 決定 RBW 濾波器的穩(wěn)定時間(tS)，并可通過公式 (1) 來計算：

圖 2 顯示了頻譜或信號分析儀中的傳統(tǒng) RBW 濾波器。

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圖2: RBW濾波器特性

通過測量頻譜，頻譜分析儀掃描定義的頻率區(qū)域。每當 RBW 濾波器內出現(xiàn)峰值時，該特定頻率就會顯示在示波器中（見圖 3）。這樣，通過峰值之間區(qū)域內的每個特定諧波來轉移功率就成為了可能。

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圖 3：頻譜區(qū)域中的分辨率帶寬濾波器和開關頻率

如圖 3 所示，較高RBW 結合較小fSW將使頻譜更加靠近。這意味著諧波能量只能轉移到較小的區(qū)域。理論上，如果所有峰值能量都轉化為白噪聲，則每個特定峰值的衰減(α)都與fSW和 RBW 相關，如公式 (2) 所示：

圖 4 顯示了通過 FSS可實現(xiàn)的最大理論衰減與相應 RBW 和 fSW之間的關系。舉例來說，假設SMPS的fSW為0.5MHz，RBW為120kHz，則FSS 可實現(xiàn)的最大衰減為 6.2dB。

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圖 4：FSS 的最大可能理論衰減

將特定頻譜轉換為FSS頻譜
要將 SMPS 的原始頻譜轉換為 FSS，必須圍繞原始開關頻率進行抖動。

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圖 5：包含fSPAN和fMOD相關信息的 FSS 調制信號

在原始開關頻率附近實現(xiàn)抖動功能需考慮以下因素：

tS: 必須考慮RBW的穩(wěn)定時間。如果頻率改變的時間（調制頻率fMOD)長于tS，則 FSS 無法實現(xiàn)衰減。

RBW: 如果抖動頻率(fSPAN)小于RBW，則頻率在濾波器的帶寬內抖動，且FSS衰減為零。

根據(jù)上述兩個原則可以得出結論：fSPAN必須大于RBW，可通過公式 (3) 來表示：

同時，fMOD必須大于tS的倒數(shù)，可用公式 (4) 來估算：

頻率變化(fSPAN x fMOD)可通過公式 (5) 來計算：

表 1 顯示了在特定 RBW 內實現(xiàn) FSS 的頻率變化值。

表 1：實現(xiàn)衰減的頻率變化值

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為生成白噪聲信號并符合上述兩個規(guī)則，我們需要在幾近零的周期內從零抖動到無窮大。由于在技術上不可能做到，因此抖動頻率(fSPAN)應介于原始fSW的 10% 到 20% 之間。這將提供足夠的fSPAN來確保良好衰減，并使 SMPS 保持在穩(wěn)定的工作點。

實際測量表明，當調制頻率(fMOD)幾乎等于頻譜分析儀的 RBW 時，F(xiàn)SS 衰減最為有效。

例如，當fSW為2MHz、fSPAN為20%時，fMOD和頻率變化如表 2 所示。

表2: 給定工作區(qū)域內的頻率變化

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比較表1和表2可以看出，9kHz RWB和9kHz fMOD可以實現(xiàn)較大的衰減；120kHz RBW 則由于頻率變化太慢而衰減為 0。為了實現(xiàn) 120kHz RBW 的合理衰減，必須提高 FSS 頻率。

由于 FSS 始終調制為 SMPS 的開關頻率，因此高諧波將自動在其專用頻率處達到高頻變化（見表 3）。

表 3：SMPS 諧波的相應頻率變化

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調制波形

建立fMOD和fSPAN之間的關聯(lián)之后，就可以開始考慮調制波形。由于正常操作期間的頻率變化應該是線性的，因此調制 FSS 的最簡單方法是使用三角調制信號（見圖 5）。這種方法實現(xiàn)起來很簡單，但在信號邊沿，特定時間范圍內的頻率變化僅為上升或下降沿頻率變化的一半 (f/2)。

采用鋸齒波可以避免這種情況，因為鋸齒波的頻率變化在斜坡時為線性。收到最大fSW后，SMPS在一個開關周期內將最大fSW變?yōu)樽钚SW。不過，這可能會導致控制環(huán)路不穩(wěn)定以及輸出電壓(VOUT)下沖或過沖。

因此，混合不同的波形（例如“Hershey’s Kiss”波形或階梯三角波形）可以在保持 SMPS 穩(wěn)定性的同時優(yōu)化衰減。

圖 6 顯示了不同的 FSS 調制波形。

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圖6:不同的 FSS 調制波形

所有這些波形都有一個共同點，就是只能與一種特定的調制頻率(fMOD)一起使用。

根據(jù)前述的規(guī)則，fMOD應在 RBW 的頻率范圍內，以實現(xiàn)最佳衰減。查看 CISPR 25 規(guī)范可知，SMPS 開發(fā)人員需關注兩個非常重要的頻率區(qū)域：

拉桿天線測量，頻率范圍為 150kHz 至 30MHz，RBW 為 9kHz。

雙錐天線測量，頻率范圍為 30MHz 至 300MHz，嚴格限制 RBW 為 120kHz。

這兩種測量采用了兩種不同的 RBW，而FSS fMOD只能針對一種特定頻率區(qū)域進行優(yōu)化。

為了優(yōu)化全頻域的 FSS，MPQ4371-AEC1 1 提供雙 FSS 調制（見圖 7）。

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圖7: MPQ4371-AEC1 的雙FSS調制波形

使用此調制波形可在低頻 (LF) 和高頻 (HF) 頻譜內均發(fā)揮FSS 的優(yōu)勢。主載波(fMOD(LF))頻率為 15kHz，經(jīng)拉桿天線測量優(yōu)化可在 SMPS 頻譜上實現(xiàn)衰減。理想情況下，fMOD(LF)應為 9kHz，但該頻率可能會導致 SMPS 產(chǎn)生可聞噪聲。為避免這種情況，可將fMOD(LF)增加到 15kHz，從而提供與 9kHz 調制頻率幾乎相同的衰減，同時避免可聞噪聲。第二個頻率在 120kHz 的載波頻率上調制，它為雙錐天線測量提供額外的衰減。利用雙 FSS 調制可以為每個給定用例調整特定調制頻率的fSPAN 。MPQ4371-AEC1 1 提供了八種不同的 FSS 選項，以實現(xiàn)進一步的微調（見表 4）。

表4: MPQ4371-AEC1的FSS選項

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實際測量
為了展示不同類型 FSS 的效果，我們可以在具有相同設置的真實評估板上比較不同版本的 MPQ4371-AEC1 1。MPQ4371-AEC1 1 (1) 的標準評估板用于 CISPR 25 EMC 暗室，測量的頻率范圍在 150kHz 至 1GHz 之間。為了比較 FSS 效果，我們測試了三種模式：

不帶FSS 的MPQ4371-AEC1（綠色跡線）

具有 15kHz FSS 和 ±10% 跨度的MPQ4371-AEC1（藍色跡線）

具有雙FSS 的MPQ4371-AEC1：15kHz FSS 和±6.2% 跨度，以及120kHz FSS 和±2.5% 跨度（黃色跡線）

注：

聯(lián)系 MPS FAE可了解此評估板的詳細信息。

在上述三種模式之下，MPQ4371-AEC1 1 均具有2.2MHz fSW和 3A 負載。圖 8 顯示了通過拉桿天線方法（RBW 為 9kHz）獲得的測量結果。

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圖 8：三種不同類型 FSS（拉桿天線）的 EMC 測量

圖 9 顯示了 30MHz 至 1GHz 頻率范圍內 、RBW 為 120kHz時的 EMC 頻譜。

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圖 9：三種不同類型 FSS（雙錐天線和對數(shù)周期天線）的 EMC 測量

從圖 8 和圖 9可以看出，F(xiàn)SS 可以對 SMPS 的頻譜產(chǎn)生巨大的影響。特別是拉桿天線測量，F(xiàn)SS可以有效降低基波開關頻率和一次諧波的峰值。在這種場景下，可以實現(xiàn)了 14dB 的最大衰減。

對拉桿天線測量來說，15kHz 單FSS比雙 FSS 方法更有效，因為這種調制的頻率跨度更大（單 FSS 為 10%，雙 FSS 為 6.2%）。

但對更高頻率而言，雙 FSS 方法更有效，尤其是在 40MHz 至 140MHz 的范圍內。由于fMOD保持在 RBW 范圍之內，雙 FSS 可提供高達 3dB 的額外衰減。

總結

頻譜擴展是實現(xiàn)SMPS 頻譜衰減的一種有效方法。但必須注意調制頻率和頻率跨度，這兩個因素有可能導致完全沒有衰減。此外，調制波形也很重要，使用單 FSS 或雙 FSS 會影響不同的頻率區(qū)域，而每種特定的波形（例如三角波或鋸齒波）也會影響 SMPS 的穩(wěn)定性。

總而言之，F(xiàn)SS的應用應視具體情況而定。調整FSS，以在最敏感的頻率區(qū)域內實現(xiàn)SMPS 頻譜的最大衰減。MPQ4371-AEC1 1可提供8 種不同的 FSS 選項，不失為一種理想的選擇方案。立即訪問 MPS 網(wǎng)站，找到滿足您設計需求的汽車級降壓變換器。

審核編輯 黃宇