Spread-Spectrum-Frequenzmodulation dämmt EMI ein

Bei den elektromagnetischen Interferenzen (EMI) wird zwischen leitungsgeführten, also über die Stromversorgungsleitungen übertragenen Störgrößen, und gestrahlten Störgrößen unterschieden. Schaltnetzteile erzeugen beide Arten von Störgrößen. Eine von Analog Devices (ADI) eingesetzte Technik zur Reduzierung der Störgrößen ist das SSFM-Verfahren (Spread-Spectrum-Frequenzmodulation). Diese Technik kommt in mehreren auf Induktivitäten oder Kondensatoren basierenden Schaltnetzteil-Lösungen, Silizium-Oszillatoren und LED-Treibern zum Einsatz. Das Verfahren sorgt dafür, die Störgrößen auf ein breiteres Frequenzband zu verteilen und reduziert damit ihre Scheitel- und Mittelwerte bei einer bestimmten Frequenz.

Bild 1: Welligkeit eines Schaltreglers bei sinusförmiger Modulation des Schalttakts. Analog Devices

Das SSFM-Verfahren verbessert das EMI-Verhalten, indem es verhindert, dass die emittierte Energie über eine längere Zeitspanne in einem bestimmten Empfängerband verbleibt. Die entscheidenden Parameter eines effektiven SSFM-Verfahrens sind das Ausmaß der Frequenzspreizung und die Modulationsrate. In Schaltnetzteil-Anwendungen ist eine Spreizung um ±10 Prozent die Regel, während die optimale Modulationsrate durch das Modulationsprofil diktiert wird. Für das SSFM-Verfahren finden unterschiedliche Methoden der Frequenzspreizung Verwendung, wie etwa die Modulation der Taktfrequenz mit einem sinus- oder dreieckförmigen Signal.

Die Modulationsmethode

Bild 2: Die Spread-Spectrum-Modulation ergibt ein breiteres Taktfrequenzband mit niedrigeren Energiespitzen. Analog Devices

Bild 3: Die pseudo-zufällige Modulation illustriert den Effekt des internen Tracking-Filters im LTC6908/LTC6909. Analog Devices

Die meisten Schaltregler weisen eine schaltfrequenzabhängige Welligkeit auf, die bei niedrigen Schaltfrequenzen größer und bei höheren Schaltfrequenzen geringer ist. Bei der Welligkeit kommt es also zu einer Amplitudenmodulation, wenn die Frequenz des Schalttakts moduliert wird. Ist das Signal, mit dem der Takt moduliert wird, periodischer Natur (zum Beispiel eine Sinus- oder Dreieckwelle), entsteht eine periodische Modulation der Welligkeit mit dem Resultat einer abgegrenzten Spektralkomponente bei der Modulationsfrequenz (Bild 1).

Da die Modulationsfrequenz deutlich niedriger ist als die Taktfrequenz, lässt sie sich möglicherweise schwierig ausfiltern. Hieraus können Probleme wie etwa hörbare Töne oder sichtbare Artefakte auf einem Display resultieren, hervorgerufen durch die Einkopplung von Störungen aus der Stromversorgung oder eine eingeschränkte Netzstörunterdrückung nachfolgender Schaltungen. Vermeiden lässt sich diese periodische Welligkeit durch eine pseudo-zufällige Frequenzmodulation, bei der der Takt auf pseudo-zufällige Weise von einer Frequenz zur anderen wechselt. Da die Ausgangswelligkeit des Schaltnetzteils in diesem Fall eine Amplitudenmodulation durch ein rauschähnliches Signal erfährt, ist die Modulation am Ausgang nicht zu erkennen und die Auswirkungen auf die nachfolgenden Schaltungen sind vernachlässigbar.

Ausmaß der Modulation

Wenn sich der Bereich der SSFM-Frequenzen erhöht, verringert sich der Prozentsatz der innerhalb des Bands verbrachten Zeit. In Bild 2 ist zu sehen, wie die modulierte Frequenz als breitbandiges Signal mit einem um 20 dB geringeren Spitzenwert erscheint als ein einzelnes, unmoduliertes Schmalband-Signal. Wenn das emittierende Signal nur selten und immer nur kurz (relativ zur Ansprechzeit) in das Band des Empfängers fällt, verringert sich das EMI-Aufkommen entscheidend. Eine Frequenzmodulation um ±10 Prozent wird also wesentlich effektiver sein als eine solche um ±2 Prozent. Zwar tolerieren Schaltregler nur einen bestimmten, begrenzten Frequenzbereich, jedoch kommen die meisten Schaltregler im Allgemeinen problemlos mit Frequenzänderungen um ±10 Prozent zurecht.

Ebenso wie das Ausmaß der Modulation wird auch mit einer Anhebung der Modulationsrate (also der Häufigkeit der Frequenzwechsel) erreicht, dass sich die Zeit, in der sich die Störgrößen im Band eines bestimmten Empfängers befindet, geringer wird, wodurch sich das EMI-Aufkommen reduziert. Da ein Schaltregler den Frequenzänderungen aber nur bis zu einer bestimmten Rate folgen kann, kommt es darauf an, die höchste Modulationsrate zu finden, die noch keine Auswirkungen auf die Ausgangsregelung des Schaltreglers hat.

EMI-Messung

Die typischen Methoden zur EMI-Messung sind die Spitzenwert-Detektierung, die Quasi-Spitzenwert-Detektierung und die Mittelwert-Detektierung. Für diese Prüfungen wird die Bandbreite der Prüfausrüstung so gewählt, dass sie ungefähr dem interessierenden Frequenzband entspricht und Aussagen über die Effektivität des SSFM-Verfahrens liefern kann. Wenn die Frequenz moduliert wird, reagiert der Detektor, während die Emissionen das Band des Detektors durchlaufen. Ist die Bandbreite des Detektors gegenüber der Modulationsrate gering, resultiert die finite Reaktionszeit des Detektors in einer abgeschwächten EMI-Messung. Im Gegensatz dazu aber hat die Reaktionszeit des Detektors keine Auswirkungen auf die Emission einer bestimmten Frequenz, und es ist keine Abschwächung der EMI-Messung zu beobachten.

Die Spitzenwert-Detektierung lässt eine Verbesserung durch das SSFM-Verfahren erkennen, die direkt dem Umfang der Abschwächung entspricht. Die Quasi-Spitzenwert-Detektierung kann eine noch größere EMI-Verbesserung zeigen, da sich bei ihr das Tastverhältnis auswirkt. Eine Störgröße bei einer festen Frequenz ergibt ein Tastverhältnis von 100 Prozent, während das Tastverhältnis bei SSFM abhängig davon reduziert wird, für welche Zeitspanne die Emissionen in das Band des Detektors fallen. Mit der Mittelwert-Detektierung schließlich lässt sich die deutlichste Verbesserung des EMI-Verhaltens nachweisen, da hierbei das Signal des Spitzenwert-Detektors einer Tiefpassfilterung unterzogen wird, was eine gemittelte In-Band-Energie ergibt.

Im Unterschied zu Emissionen mit fester Frequenz, bei denen die Spitzenwert- und die Mittelwert-Energie gleich sind, schwächt das SSFM-Verfahren sowohl die maximal detektierte Energie als auch die Länge der In-Band-Zeit ab, sodass sich ein niedrigeres Mittelwert-Detektierungsergebnis einstellt. Viele von Regulierungsbehörden vorgeschriebene Tests verlangen, dass das System sowohl den Spitzenwert- als auch den Mittelwert-Test besteht.

Spread-Spectrum-Frquenzmodulation in Silizium-Oszillatoren

Bild 4: LTM4608A mit aktiviertem Spread-Spectrum-Modus. Analog Devices

Bild 5: Rauschspektrum: Mittelwerte der leitungsgeführten Störgrößen. Analog Devices

Bild 6: Rauschspektrum: Spitzenwerte der leitungsgeführten Störgrößen. Analog Devices

Bei den Bausteinen LTC6909, LTC6902 und LTC6908 handelt es sich um mehrphasige Silizium-Oszillatoren mit Spread-Spectrum-Modulation und acht, vier beziehungsweise zwei Ausgängen, die häufig zur Taktung von Schaltnetzteilen zum Einsatz kommen. Der mehrphasige Betrieb bewirkt eine effektive Anhebung der Schaltfrequenz des Systems, da die verschiedenen Phasen wie eine Erhöhung der Taktfrequenz erscheinen. Die Spread-Spectrum-Modulation lässt den Baustein außerdem in einem Bereich von Frequenzen schalten, wodurch sich die leitungsgeführten Störgrößen auf ein breiteres Frequenzband verteilen.

Als Abhilfe gegen die weiter oben erwähnte periodische Welligkeit bedienen sich diese Silizium-Oszillatoren einer pseudo-zufälligen Frequenzmodulation (Bild 3). Dabei wird der Takt des Schaltreglers auf pseudo-zufällige Weise zwischen verschiedenen Frequenzen umgeschaltet. Je höher die Rate ist, mit der die Frequenzen gewechselt werden (Hop-Rate), um so kürzer ist die Zeit, in der der Schaltregler auf einer bestimmten Frequenz bleibt und somit auch die Zeit, in der die EMI für ein bestimmtes Empfänger-Intervall innerhalb des Bandes bleibt.

Die Frequenzwechselrate lässt sich allerdings nicht beliebig steigern. Wechseln die Frequenzen mit einer Rate, die über der Bandbreite des Schaltreglers liegt, kann es am Ausgang bei den Frequenzwechselflanken des Takts zu Spitzen kommen, die umso ausgeprägter sind, je geringer die Schaltregler-Bandbreite ist. Aus diesem Grund enthalten LTC6908 und LTC6909 einen proprietären Tracking-Filter, der die Übergänge von einer Frequenz zur anderen glättet. Der interne Filter folgt der Hop-Rate, um bei allen Frequenzen und Modulationsraten für eine optimale Glättung zu sorgen. Das gefilterte Modulationssignal ist für viele Logiksysteme geeignet, jedoch sollte die Frage des Jitters von einem Zyklus auf den anderen nicht außer Acht gelassen werden.

SSFM in Netzteilen: LTM4608A

Der µModule-Abwärtsregler LTM4608A für 8 A und 2,7 bis 5,5 V lässt sich zur Verminderung der Schaltstörungen im SSFM-Modus betreiben. Dieser wird aktiviert, indem der CLKIN-Pin mit dem Anschluss SV_IN (Versorgungsspannungs-Pin für Low-Power-Schaltungen) verbunden wird. Der interne Oszillator des LTM4608A ist so konzipiert, dass er im Spread-Spectrum-Modus einen Taktimpuls erzeugt, dessen Periode sich von einem Zyklus zum anderen zufällig ändert, aber auf Werte zwischen 70 Prozent und 130 Prozent der Nennfrequenz festgelegt ist. Dies hat den Vorteil, dass sich das Schaltrauschen auf einen ganzen Bereich von Frequenzen verteilt und die Rauschspitzen deutlich geringer ausfallen.

Der Spread-Spectrum-Betrieb wird deaktiviert, wenn CLKIN mit Masse verbunden oder von einem externen Frequenzsynchronisations-System angesteuert wird. In Bild 4 ist die Schaltung mit aktivem Spread-Spectrum-Betrieb dargestellt. Zwischen den PLL-LPF-Pin und Masse muss ein 0,01-µF-Kondensator gelegt werden, um die Anstiegsrate der Spread-Spectrum-Frequenzwechsel zu begrenzen. Die Werte der Bauelemente lassen sich mit der folgenden Gleichung bestimmen: R_SR ≥ 1 ÷ -(ln (1 – 0,592 ÷ V_IN) ž 500 ž C_SR).

SSFM in LED-Treibern

Geschaltete LED-Treiber können in Automobil- und Displaybeleuchtungs-Anwendungen ebenfalls ihre Tücken haben, wenn es auf geringe elektromagnetische Störaussendungen ankommt. Zur Verbesserung der EMI-Eigenschaften ist der 110-V-Multitopologie-LED-Controller LT3795 mit SSFM-Funktionalität ausgestattet. Liegt am RAMP-Pin ein Kondensator, wird eine zwischen 1 V und 2 V pendelnde Dreieckwelle erzeugt. Dieses Signal wird dem internen Oszillator zugeführt, um die Schaltfrequenz zwischen 70 Prozent der Grundfrequenz und der Grundfrequenz zu variieren. Letztere wird durch den Widerstand RT festgelegt. Die Modulationsfrequenz lässt sich gemäß der folgenden Gleichung einstellen: 12 µA / (2 ž 1 V ž C_RAMP).

Bilder 5 und 6 vergleichen das Rauschspektrum zwischen einer konventionellen Aufwärtswandler-Schaltung (RAMP-Pin mit Masse verbunden) und einem Aufwärtswandler mit aktivierter Spread-Spectrum-Modulation (6,8-nF-Kondensator am RAMP-Pin). Die Ergebnisse der EMI-Messungen hängen davon ab, welche RAMP-Frequenz mit dem Kondensator gewählt wurde. 1 kHz sind ein guter Ausgangspunkt zum Optimieren der Spitzenwert-Messungen, allerdings kann eine gewisse Feinabstimmung dieses Werts erforderlich sein, um in einem bestimmten System die insgesamt besten EMI-Resultate zu erzielen.

Zusammenfassung

ADI bietet zahlreiche Produkte an, bei denen EMI-reduzierende Designtechniken zum Einsatz kommen. Wie schon angesprochen, ist SSFM eine dieser Techniken. Andere mögliche Verfahren sind das Verlangsamen schneller interner Taktflanken und der Einsatz interner Filter. Eine weitere neuartige Technik wird mit der Silent-Switcher-Technologie realisiert. Dabei wird die EMI-Reduzierung mithilfe des Layouts herbeigeführt. Der LT8640 ist ein besonderer, synchroner Micropower-Abwärtsschaltregler mit 42 V Eingangsspannung, der zur EMI-Eindämmung eine Kombination aus Silent -Switcher-Techniken und SSFM nutzt.

(na)