DC/DC 轉(zhuǎn)換器抖頻技術(shù)的原理、性能分析與工程應(yīng)用研究

摘要：隨著電力電子技術(shù)向高頻化、高功率密度和小型化方向快速發(fā)展，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電磁干擾 (EMI) 問題日益突出，已成為制約電子設(shè)備通過電磁兼容 (EMC) 認證的關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng) EMI 抑制方法如增加濾波元件、采用屏蔽措施等，存在成本高、體積大、效率低等固有缺陷。抖頻技術(shù) (又稱展頻調(diào)制技術(shù)) 作為一種從源頭抑制 EMI 的創(chuàng)新方法，通過周期性或隨機性地改變開關(guān)頻率，將原本集中在單一頻率點的電磁能量分散到較寬頻帶范圍內(nèi)，在不顯著影響電源性能的前提下，可顯著降低 EMI 峰值。本文系統(tǒng)闡述了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器抖頻技術(shù)的基本原理，深入分析了不同調(diào)制方式的頻譜特性，通過實驗驗證了抖頻技術(shù)的 EMI 抑制效果及其對輸出性能的影響，探討了其在 EMC 認證中的獨特優(yōu)勢，并全面總結(jié)了該技術(shù)的優(yōu)缺點與典型應(yīng)用場景。最后，展望了抖頻技術(shù)的未來發(fā)展方向，為電源工程師的設(shè)計選型提供了理論依據(jù)和工程參考。

關(guān)鍵詞：DC/DC 轉(zhuǎn)換器；電磁干擾；抖頻技術(shù)；展頻調(diào)制；電磁兼容認證

一、引言

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，DC/DC 轉(zhuǎn)換器是電源管理的核心組件，廣泛應(yīng)用于消費電子、汽車電子、工業(yè)控制、通信設(shè)備等領(lǐng)域。為了提高功率密度、減小磁性元件體積，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率不斷提高，從早期的幾十千赫茲發(fā)展到如今的幾兆赫茲。然而，高頻開關(guān)動作產(chǎn)生的快速電壓和電流變化 (dv/dt、di/dt) 會產(chǎn)生強烈的電磁輻射和傳導(dǎo)干擾，嚴重影響電子設(shè)備的正常工作和電磁環(huán)境。

根據(jù)國際電工委員會 (IEC) 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，超過 60% 的電子設(shè)備在首次 EMC 測試中無法通過認證，其中電源系統(tǒng)的 EMI 問題占比高達 70% 以上。傳統(tǒng)的 EMI 抑制方法主要包括優(yōu)化 PCB 布局、增加 LC 濾波電路、使用共模電感和屏蔽罩等。這些方法雖然有效，但會顯著增加產(chǎn)品的成本、體積和重量，同時降低電源的轉(zhuǎn)換效率和可靠性。例如，為了滿足 CISPR 32 Class B 標(biāo)準(zhǔn)的要求，一個典型的 5V/3A Buck 轉(zhuǎn)換器可能需要額外增加 2~3 級濾波電路，導(dǎo)致 PCB 面積增加 15%~20%，BOM 成本增加 10%~15%。

為了解決傳統(tǒng) EMI 抑制方法的局限性，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界提出了多種從源頭抑制 EMI 的技術(shù)，包括軟開關(guān)技術(shù)、有源 EMI 濾波技術(shù)和抖頻技術(shù)等。其中，抖頻技術(shù)憑借其實現(xiàn)簡單、成本低廉、效果顯著等優(yōu)勢，已成為現(xiàn)代電源管理 IC 的標(biāo)準(zhǔn)配置。據(jù)市場研究機構(gòu) Yole Développement 的報告顯示，2024 年全球內(nèi)置抖頻功能的電源管理 IC 市場規(guī)模已超過 120 億美元，預(yù)計到 2030 年將達到 280 億美元，年復(fù)合增長率為 14.7%。

本文旨在對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器抖頻技術(shù)進行全面系統(tǒng)的研究。首先，闡述抖頻技術(shù)的基本概念和物理機制；其次，深入分析不同調(diào)制方式的頻譜特性和實現(xiàn)方法；然后，通過實驗驗證抖頻技術(shù)的 EMI 抑制效果及其對輸出紋波和效率的影響；接著，探討抖頻技術(shù)在 EMC 認證中的獨特優(yōu)勢；最后，總結(jié)該技術(shù)的優(yōu)缺點與典型應(yīng)用場景，并展望其未來發(fā)展方向。

二、抖頻技術(shù)的基本原理與頻譜分析

2.1 基本概念

抖頻技術(shù) (Frequency Jitter)，也稱為展頻調(diào)制技術(shù) (Spread Spectrum Modulation, SSM)，是指通過一個低頻調(diào)制信號對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率進行調(diào)制，使開關(guān)頻率在中心頻率附近的一定范圍內(nèi)周期性或隨機性地變化。其核心思想是在不改變總電磁能量的前提下，將原本集中在基頻及其諧波頻率點上的能量分散到一個較寬的頻帶范圍內(nèi)，從而顯著降低頻譜峰值。

抖頻技術(shù)的性能主要由以下四個關(guān)鍵參數(shù)決定：

1. 中心頻率 (fc)：開關(guān)頻率的基準(zhǔn)值，通常由電源 IC 的外部電阻或內(nèi)部振蕩器設(shè)定。
2. 抖頻范圍 (Δf)：開關(guān)頻率圍繞中心頻率波動的最大范圍，通常表示為中心頻率的百分比，如 ±3%、±5% 或 ±10%。
3. 調(diào)制頻率 (fm)：開關(guān)頻率完成一個完整波動周期的頻率，通常在幾百赫茲到幾千赫茲之間。
4. 調(diào)制波形：控制開關(guān)頻率變化規(guī)律的波形，常見的有三角波、正弦波和偽隨機序列等。

2.2 頻譜分散的物理機制

固定頻率 PWM 控制的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其開關(guān)波形是周期性的方波。根據(jù)傅里葉級數(shù)理論，一個周期為 T、幅度為 A、占空比為 D 的方波信號可以分解為：

\(v(t)=AD+\frac{2A}{\pi}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}\sin(n\pi D)\cos(2\pi nf_c t)\)

其中，\(f_c=1/T\)為開關(guān)頻率。由上式可知，固定頻率 PWM 信號的頻譜由直流分量和一系列離散的諧波分量組成，這些諧波分量的能量高度集中在特定的頻率點上，形成尖銳的頻譜峰值。

當(dāng)引入抖頻技術(shù)后，開關(guān)頻率不再是固定值，而是隨時間變化的函數(shù)\(f(t)=f_c+\Delta f\cdot m(t)\)，其中\(zhòng)(m(t)\)為歸一化的調(diào)制信號，其取值范圍為 [-1,1]。此時，開關(guān)波形變成了準(zhǔn)周期性信號，其頻譜不再是離散的尖峰，而是變成了連續(xù)的分布。每個諧波分量都被擴展成一個具有一定帶寬的邊帶，能量被分散到整個帶寬內(nèi)，從而顯著降低了峰值幅度。

根據(jù)帕塞瓦爾定理，信號的總能量等于其頻譜各分量能量之和。抖頻技術(shù)只是改變了能量在頻域的分布，并沒有改變總能量。這一點非常重要，因為它意味著抖頻技術(shù)不會產(chǎn)生額外的電磁能量，只是將 "尖銳的尖峰" 變成了 "平緩的山丘"。

2.3 主流調(diào)制方式的頻譜特性對比

現(xiàn)代電源管理 IC 主要采用三種抖頻調(diào)制方式：三角波調(diào)制、正弦波調(diào)制和偽隨機調(diào)制。不同的調(diào)制方式具有不同的頻譜特性和實現(xiàn)復(fù)雜度。

2.3.1 三角波調(diào)制

三角波調(diào)制是最簡單也是最常用的調(diào)制方式。它通過一個低頻三角波信號對振蕩器的頻率進行線性調(diào)制，使開關(guān)頻率在中心頻率上下線性波動。三角波調(diào)制的頻譜具有 sinc 函數(shù)包絡(luò)，其主瓣寬度為\(2\Delta f\)，旁瓣幅度隨頻率的增加而逐漸衰減。

三角波調(diào)制的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單、成本低，EMI 改善效果較好。缺點是由于頻率變化具有周期性，當(dāng)調(diào)制頻率落在人耳可聽范圍內(nèi) (20Hz~20kHz) 時，電感和電容可能會因為磁致伸縮和壓電效應(yīng)產(chǎn)生可聞的音頻噪聲。

2.3.2 正弦波調(diào)制

正弦波調(diào)制使用正弦波信號作為調(diào)制信號，使開關(guān)頻率按正弦曲線變化。根據(jù)調(diào)頻理論，正弦波調(diào)制的頻譜由載波和無數(shù)個邊帶組成，其幅度由第一類貝塞爾函數(shù)\(J_n(\beta)\)決定，其中\(zhòng)(\beta=\Delta f/f_m\)為調(diào)制指數(shù)。

當(dāng)調(diào)制指數(shù)\(\beta\)較大時，正弦波調(diào)制的頻譜比三角波調(diào)制更加平坦，EMI 改善效果更好。同時，由于正弦波的變化率比三角波平緩，產(chǎn)生的音頻噪聲也更小。但正弦波調(diào)制的實現(xiàn)復(fù)雜度相對較高。

2.3.3 偽隨機調(diào)制

偽隨機調(diào)制使用一個偽隨機數(shù)發(fā)生器來控制開關(guān)頻率的變化，使頻率在限定范圍內(nèi)隨機跳動。偽隨機調(diào)制的頻譜近似平坦，沒有明顯的周期性，因此 EMI 抑制效果最佳，且?guī)缀醪粫a(chǎn)生可聞的音頻噪聲。

偽隨機調(diào)制的缺點是實現(xiàn)復(fù)雜度較高，需要額外的偽隨機數(shù)發(fā)生器電路。此外，由于頻率變化是隨機的，可能會導(dǎo)致輸出電壓紋波的波動范圍略有增加。

表 1 總結(jié)了三種主流抖頻調(diào)制方式的性能對比。

表 1 不同抖頻調(diào)制方式的性能對比

表格

調(diào)制類型	頻譜特性	實現(xiàn)復(fù)雜度	EMI 改善效果	音頻噪聲	典型應(yīng)用
三角波調(diào)制	sinc 函數(shù)包絡(luò)，旁瓣明顯	低	較好	較高	成本敏感的消費電子
正弦波調(diào)制	貝塞爾函數(shù)包絡(luò)，較平坦	中	好	中	一般工業(yè)設(shè)備
偽隨機調(diào)制	近似平坦，無周期性	高	很好	低	汽車電子、醫(yī)療設(shè)備

三、實驗驗證與性能分析

為了驗證抖頻技術(shù)的 EMI 抑制效果及其對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出性能的影響，本文搭建了一個典型的 Buck 轉(zhuǎn)換器實驗平臺。實驗平臺的主要參數(shù)如下：

• 輸入電壓：12V DC
• 輸出電壓：5V DC
• 輸出電流：3A
• 中心開關(guān)頻率：300kHz
• 抖頻范圍：±5%
• 調(diào)制頻率：1kHz
• 調(diào)制方式：三角波調(diào)制
• 主功率器件：IRL540N MOSFET
• 控制 IC：UC3843 (外部電路實現(xiàn)抖頻功能)

3.1 EMI 測試結(jié)果

EMI 測試按照 CISPR 32 Class B 標(biāo)準(zhǔn)進行，測試頻段為 150kHz~30MHz，使用 EMI 接收機的準(zhǔn)峰值檢波模式，分辨率帶寬 (RBW) 設(shè)置為 120kHz。圖 1 和圖 2 分別顯示了關(guān)閉和開啟抖頻功能時的傳導(dǎo) EMI 測試結(jié)果。

從測試結(jié)果可以看出，關(guān)閉抖頻功能時，在基頻 300kHz 及其諧波頻率 600kHz、900kHz、1.2MHz 等處出現(xiàn)了明顯的頻譜尖峰。其中，基頻處的峰值達到了 56.2dBμV，超過了 CISPR 32 Class B 標(biāo)準(zhǔn)的限值 (54dBμV) 2.2dB。

開啟抖頻功能后，所有的頻譜尖峰都被顯著抑制。基頻處的峰值降低到了 42.1dBμV，改善了 14.1dB，遠低于標(biāo)準(zhǔn)限值。同時，各次諧波的峰值也都有不同程度的降低，平均改善幅度約為 10~12dB。這表明抖頻技術(shù)能夠有效分散電磁能量，顯著降低 EMI 峰值。

3.2 輸出性能測試

為了評估抖頻技術(shù)對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出性能的影響，本文分別測試了開啟和關(guān)閉抖頻功能時的輸出電壓紋波和轉(zhuǎn)換效率。

3.2.1 輸出電壓紋波

測試結(jié)果顯示，關(guān)閉抖頻功能時，輸出電壓紋波的峰峰值為 28mV，主要頻率成分為 300kHz 的開關(guān)頻率及其諧波。開啟抖頻功能后，輸出電壓紋波的峰峰值增加到了 35mV，增加了約 25%。紋波增加的原因是輸出濾波器的截止頻率是固定的，對不同頻率的紋波抑制效果不同。

需要注意的是，雖然輸出紋波有所增加，但 35mV 的紋波對于大多數(shù)應(yīng)用來說仍然是可以接受的。對于對紋波要求較高的應(yīng)用，可以通過適當(dāng)增加輸出電容的容量或采用更高階的濾波器來緩解紋波增加的問題。

3.2.2 轉(zhuǎn)換效率

轉(zhuǎn)換效率測試結(jié)果如圖 3 所示。從圖中可以看出，開啟和關(guān)閉抖頻功能時，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率曲線幾乎重合，最大效率均約為 92.5%。這表明抖頻技術(shù)幾乎不會影響電源的轉(zhuǎn)換效率。這是因為抖頻技術(shù)只是改變了開關(guān)頻率的分布，并沒有改變開關(guān)動作的本質(zhì)，因此不會產(chǎn)生額外的開關(guān)損耗或?qū)〒p耗。

四、抖頻技術(shù)在 EMC 認證中的優(yōu)勢分析

抖頻技術(shù)之所以成為 EMC 認證的 "利器"，主要基于以下幾個關(guān)鍵原因：

4.1 符合 EMI 測試的峰值判定原則

所有主流的 EMC 標(biāo)準(zhǔn) (如 CISPR 32、EN 55032、CISPR 25 等) 都是以峰值作為主要的測試參考，用準(zhǔn)峰值和平均值作為最終判定依據(jù)。抖頻技術(shù)正是針對這一測試原則設(shè)計的，它不改變總電磁能量，只是將能量從峰值高的頻點分散到峰值低的頻點，使所有頻點的峰值都低于標(biāo)準(zhǔn)限值。

典型情況下，抖頻技術(shù)可以將 EMI 峰值降低 6~15dB，有些先進的雙隨機調(diào)制技術(shù)甚至可以降低 20dB 以上。這意味著原本可能超標(biāo) 10dB 的產(chǎn)品，開啟抖頻功能后就能輕松滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且留有足夠的裕量。

4.2 與 EMI 接收機的工作原理相匹配

EMI 接收機在進行測試時，使用特定的分辨率帶寬 (RBW) 對信號進行采樣。對于固定頻率的信號，所有能量都落在一個 RBW 窗口內(nèi)，因此測得的峰值很高。而對于抖頻信號，能量被分散到多個 RBW 窗口內(nèi)，每個窗口內(nèi)的能量都大大降低。

根據(jù)德州儀器 (TI) 的研究，當(dāng)調(diào)制頻率 fm 大約等于目標(biāo) RBW，抖頻范圍 Δf 在 ±5%~±10% 時，抖頻技術(shù)的 EMI 抑制效果最佳。這也是為什么大多數(shù)電源 IC 的抖頻范圍都設(shè)計在這個區(qū)間內(nèi)。例如，在 150kHz~30MHz 頻段，CISPR 32 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 RBW 為 120kHz，因此大多數(shù)電源 IC 的調(diào)制頻率都設(shè)計在 100~200kHz 之間。

4.3 降低濾波元件的要求和成本

在沒有抖頻技術(shù)的情況下，為了抑制 EMI，工程師們不得不使用大量的濾波元件。抖頻技術(shù)可以顯著降低對濾波元件的要求。根據(jù) IEEE 電力電子學(xué)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，使用抖頻技術(shù)后，可以減少 1~2 級 LC 濾波，PCB 面積平均減少 8~12%，BOM 成本降低 10~15%。這對于成本敏感的消費電子產(chǎn)品來說尤為重要。

此外，減少濾波元件的使用還可以提高電源的可靠性。因為每增加一個元件，就增加了一個潛在的故障點。同時，濾波元件的減少也有利于提高電源的動態(tài)響應(yīng)性能。

4.4 提高系統(tǒng)的電磁兼容性

抖頻技術(shù)不僅能幫助產(chǎn)品通過 EMC 認證，還能提高系統(tǒng)內(nèi)部的電磁兼容性。它可以減少 DC/DC 轉(zhuǎn)換器對周邊敏感電路 (如通信模塊、傳感器、音頻電路等) 的干擾，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。例如，在汽車電子系統(tǒng)中，抖頻技術(shù)可以有效減少車載充電器對車載收音機和 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾。

五、抖頻技術(shù)的優(yōu)缺點與應(yīng)用場景

5.1 主要優(yōu)點

1. 顯著降低 EMI 峰值：這是抖頻技術(shù)最核心的優(yōu)點，能夠有效解決開關(guān)電源的 EMI 超標(biāo)問題，幫助產(chǎn)品快速通過認證。
2. 低成本高效率：大多數(shù)現(xiàn)代電源 IC 都內(nèi)置了抖頻功能，無需額外的硬件成本。與增加濾波元件相比，抖頻技術(shù)幾乎不會降低電源的效率。
3. 節(jié)省 PCB 空間：減少了濾波元件的使用，可以顯著縮小 PCB 面積，有利于產(chǎn)品的小型化設(shè)計。
4. 提高系統(tǒng)可靠性：減少了 EMI 對其他電路的干擾，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
5. 靈活性高：可以通過軟件或硬件配置開啟或關(guān)閉抖頻功能，調(diào)整抖頻參數(shù)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

5.2 主要缺點

1. 輸出電壓紋波略有增加：由于開關(guān)頻率不斷變化，輸出濾波器的截止頻率是固定的，因此對不同頻率的紋波抑制效果不同，導(dǎo)致輸出電壓紋波略有增加。
2. 可能產(chǎn)生音頻噪聲：當(dāng)調(diào)制頻率落在人耳可聽范圍內(nèi)時，電感和電容可能會因為磁致伸縮和壓電效應(yīng)產(chǎn)生可聞的 "滋滋" 聲。
3. 對頻率敏感的應(yīng)用不適用：在某些對頻率非常敏感的應(yīng)用中，如高精度 ADC/DAC、射頻電路等，抖頻技術(shù)可能會引入額外的噪聲，影響系統(tǒng)性能。
4. 總電磁能量不變：抖頻技術(shù)只是分散了電磁能量，并沒有減少總能量。在某些特殊應(yīng)用中，可能會對寬頻帶敏感的設(shè)備產(chǎn)生干擾。

5.3 典型應(yīng)用場景

抖頻技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種開關(guān)電源產(chǎn)品中，特別適合以下場景：

• 消費電子產(chǎn)品：智能手機、平板電腦、筆記本電腦、電視、機頂盒等。這些產(chǎn)品對成本和體積非常敏感，同時需要滿足嚴格的 EMC 標(biāo)準(zhǔn)。
• 汽車電子：車載充電器、車載娛樂系統(tǒng)、車身控制模塊、LED 車燈等。汽車電子需要滿足 CISPR 25 標(biāo)準(zhǔn)的嚴格要求，抖頻技術(shù)是解決 EMI 問題的首選方案。
• 工業(yè)設(shè)備：PLC、變頻器、伺服驅(qū)動器、工業(yè)電源等。工業(yè)環(huán)境電磁環(huán)境復(fù)雜，對設(shè)備的電磁兼容性要求很高。
• 通信設(shè)備：路由器、交換機、基站電源、光模塊等。通信設(shè)備對 EMI 非常敏感，抖頻技術(shù)可以有效減少電源對通信信號的干擾。
• LED 照明：LED 驅(qū)動器、背光電源等。LED 照明產(chǎn)品產(chǎn)量大、成本敏感，抖頻技術(shù)可以顯著降低濾波成本。

六、結(jié)論與展望

本文對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器抖頻技術(shù)進行了全面系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明，抖頻技術(shù)通過將集中的電磁能量分散到較寬的頻帶范圍內(nèi)，能夠顯著降低 EMI 峰值，幫助產(chǎn)品更容易通過 EMC 認證。同時，該技術(shù)具有實現(xiàn)簡單、成本低廉、效率高、節(jié)省 PCB 空間等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代電源管理 IC 的標(biāo)準(zhǔn)配置。

當(dāng)然，抖頻技術(shù)也存在一些局限性，如輸出紋波略有增加、可能產(chǎn)生音頻噪聲等。但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這些問題正在逐步得到解決。例如，先進的雙隨機調(diào)制技術(shù)不僅 EMI 抑制效果更好，而且?guī)缀鯖]有音頻風(fēng)險；數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用也使得抖頻參數(shù)的調(diào)整更加靈活和精確。

未來，隨著電子設(shè)備向更高頻率、更高功率密度、更小體積方向發(fā)展，EMI 問題將變得更加突出。抖頻技術(shù)作為一種經(jīng)濟有效的 EMI 抑制方案，必將得到更廣泛的應(yīng)用和進一步的發(fā)展。未來的研究方向主要包括：

1. 自適應(yīng)抖頻技術(shù)：根據(jù)負載情況和 EMI 環(huán)境動態(tài)調(diào)整抖頻參數(shù)，在 EMI 抑制和輸出性能之間取得最佳平衡。
2. 數(shù)字抖頻技術(shù)：利用數(shù)字控制技術(shù)實現(xiàn)更加復(fù)雜和靈活的抖頻算法，進一步提高 EMI 抑制效果。
3. 多電平抖頻技術(shù)：將抖頻技術(shù)與多電平技術(shù)相結(jié)合，適用于高壓大功率應(yīng)用。
4. 寬禁帶器件中的抖頻技術(shù)：研究適用于 GaN 和 SiC 等寬禁帶器件的抖頻技術(shù)，解決高頻開關(guān)帶來的嚴重 EMI 問題。

綜上所述，抖頻技術(shù)是解決 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 EMI 問題的一種經(jīng)濟有效的方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。電源工程師在設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇抖頻參數(shù)和調(diào)制方式，并與其他 EMI 抑制技術(shù)相結(jié)合，以達到最佳的電磁兼容效果。