频谱扩展技术简介和性能评估方法

频谱扩展（FSS）技术广泛应用于功率变换器中，用于降低电磁干扰（EMI）噪声。在实际应用中，设计人员需要仔细考量 FSS 设计中的多个参数，在优化 EMI 性能的同时尽量减少副作用。

本文将介绍 FSS 的调制波形、频率和幅度等参数，并分析它们对 EMI 频谱的影响。文章还将讨论评估频谱扩展技术以优化 FSS 参数的三种关键方法，并介绍 MPS 能够在各种应用中实现 FSS 设计的灵活解决方案。

01频谱扩展（FSS）技术简介

电源变换器中以高频运行的有源开关会在电路中产生高 dV/dt 节点和高 dI/dt 环路，这会导致不良 EMI 噪声流入电路。

图 1 显示了降压变换器中 dV/dt 节点的开关波形。

图 1：电源变换器中的高 dV/dt 开关节点

当开关频率（fSW）固定时，EMI 噪声尖峰会在 fSW的基波和谐波频率处（见图 2(a)）出现，而 EMI 标准（如 CISPR 25）要求峰值噪声频谱不能超过一定的阈值。

FSS 技术的主要原理就是调制电源变换器的 fSW以分散频谱中的噪声能量，从而降低 EMI 噪声频谱峰值（见图 2(b)）。

图 2：频谱中的基波和谐波分量（a）以及降低噪声频谱峰值的 FSS 技术（b）

频谱扩展技术的有效性长期以来遭受了一些质疑，因为它只是降低了 EMI 频谱的峰值以满足 EMI 标准，而不是降低总噪声能量。尽管如此，这项技术仍被广泛采用，其功能可以通过频域和时域来说明[1]：

频域：EMI 易感电路仅对少数频率范围敏感，FSS 技术可降低这些频率范围的功率密度。

时域：EMI 易感电路有一个稳定时间；如果敏感频带信号的时间间隔短于稳定时间，则干扰会减少。FSS 技术可缩短敏感频带的时间间隔。

过去几年，人们提出了各种具有不同调制波形的频谱扩展技术，并通过改变频率与时间的关系来应用这些技术。

图 3 显示了典型的频谱扩展调制波形，包括正弦波、三角波、Hershey Kiss 和伪随机波，每种波形对 FSS 性能的影响都不同。

图 3：正弦波（a）、三角波（b）、Hershey Kiss（c）和伪随机波（d）FSS 调制方法

图 4 显示了影响 FSS 性能的典型参数，例如调制频率（fM）、幅度（Span）和调制指数（m），其中 TM为调制周期。

图 4：FSS 技术的典型参数

要优化 FSS 参数，需要评估各种参数对 FSS 性能的影响，以及 FSS 参数对每种方法的影响。

02FSS 性能评估方法

评估 FSS 性能的方法主要有三种：仿真法、IC 评估法以及信号发生器法。下面将详细介绍这些方法。

1仿真法

用电路仿真工具生成开关波形然后分析频谱是评估 FSS 性能的一种直接方法。但仿真工具通常只提供快速傅里叶变换（FFT） 结果，这与 EMI 接收器实际测量的的频谱不同。因此，FSS 仿真应基于 EMI 接收器测量方式，而不应单纯依赖 FFT 结果。

图 5 显示了步进频率 EMI 接收器的示意图，其中包括混频器、中频（IF）滤波器、包络检测器和 EMI 噪声检测器等关键模块。

图 5：步进频率 EMI 接收器示意图

EMI 接收器可通过混频器和本地振荡器（LO）将输入信号转换为中频。由于 LO 频率可调，因此可通过改变 LO 频率将整个输入频率范围转换为恒定中频，并使用 IF 滤波器来提取目标频率周围的分量。

接着，由 IF 滤波器确定分析仪的分辨率。EMI 标准（如 CISPR 16）对 IF 滤波器的传递增益有具体的要求。在仿真中，IF 滤波器通常可以被建模为带通高斯滤波器，其中传递增益可以通过公式（1）来计算：

RBW 系数（c）可用公式（2）来计算：

其中，RBW 是 EMI 接收器的分辨率带宽。

IF 滤波器的输出被首先馈送到包络检测器，包络检测器会随时间提取输入信号的幅度（见图 5）。该检测器也可以在仿真中用传递函数建模。[2]

噪声检测器是 EMI 接收器的最后一级。图 6 中的 EMI 接收器显示了各种 EMI 标准（如 CISPR 标准）均要求的峰值、平均值或准峰值（QP）。不同的 EMI 测量标准依赖于特定的模拟滤波器特性，而这些滤波器的行为都可以在仿真工具中进行建模。

图 6：噪声检测器及其在仿真中的等效模型

基于上述流程可知，使用仿真工具模拟 EMI 接收器是可行的。图 7 比较了测量的 EMI 频谱与基于升降压 LED 驱动器MPQ7200-AEC1得到的仿真频谱。结果表明，仿真频谱扩展效应与测量结果相符。

图 7：仿真和测量 EMI 的比较 获取仿真结果通常是一项耗时的工作。因此，预测不同 FSS 参数的影响可能需要一种更方便的评估方法，例如直接使用 IC 测试得到。2IC 评估法

对于某些 IC 器件，频谱扩展参数可以通过数字接口来配置。带数字接口的评估板可以简化在不同设置下检查 EMI 性能的过程。

MPS 很多产品都提供可配置参数的数字接口。图 8 显示了集成型升降压变换器MPQ8875A-AEC1的配置表示例。其中，FSS 可启用或禁用， fM和 span 也可调整，可通过数字方式对性能进行评估。

图 8：MPQ8875A-AEC1 配置表

对于不提供数字接口的产品，可以使用模拟引脚来设置 fSW。可以设计一个外部电路，让 fSW遵循三角波形，其中 fM和 span 由 R、C 值确定。图 9 显示了降压开关稳压器MPQ4430用于配置 fSW 的外部电路。

图 9：通过外部电路配置 MPQ4430 的开关频率3信号发生器法

如果没有合适的 IC 可以通过数字接口或模拟引脚来配置频谱扩展设置，或者需要评估的 FSS 参数未包含在 IC 设置中，则可以使用信号发生器进行评估。

信号发生器的输出需要连接到 EMI 接收器上进行分析。通过适当的设置，信号发生器可以利用各种 FSS 技术生成开关波形。这样，噪声源的 EMI 频谱就可以被模拟，并通过连接到 EMI 接收器的 PC 直接显示。可以将不采用 FSS 的结果设置为基准，再来比较各种 FSS 技术的降噪效果。

大多数信号发生器都支持频率调制（FM），以模拟正弦波或三角波频谱扩展。对于伪随机或其他复杂调制，可利用相关波形编辑器来生成波形文件。

信号的幅度应足够小，建议约 100mV，以保护 EMI 接收器的射频（RF）输入端口。

03选择适当的 FSS 参数1频谱扩展调制波形

图 10 展示了不同频谱扩展调制波形的频谱。例如，正弦波调制的频谱在边缘处有一个尖峰，而 Hershey Kiss 调制的频谱平坦很多。

图 10：正弦波调制（a）、三角波调制（b）和 Hershey Kiss 调制（c）的波形和频谱

正弦波调制的频率斜率（df/dt）在整个频率范围的两侧较小，在中心频率较大；这表明 fSW在边缘处分布不均匀，从而导致边缘出现尖峰。而三角波调制虽然中心频率处的 df/dt 超过边缘频率处的 df/dt，但与正弦波调制相比，df/dt 更恒定，因此频谱更平坦。

要降低峰值 EMI 噪声，建议使用较平坦的频谱，并且 df/dt 和时间应保持恒定。一般来说，三角波调制的性能通常足够好且易于实现，因此广泛应用于电源设计中。2调制幅度、频率、指数和 RBW

如前所述，调制幅度、调制频率和调制指数等参数会影响 EMI 性能，EMI 接收器的 RBW 也会影响结果。下面我们将一一探讨。

图 11 显示了调制幅度在 1% 至 40% 之间的 EMI 频谱。红色迹线是禁用 FSS 时的噪声频谱包络，可将其设置为基线。

图 11：各种调制幅度的 EMI 频谱

虽然幅度越大 EMI 性能越好，但幅度超过 20% 并不能带来显著改善。事实上，较大的 FSS 幅度还会影响变换器的稳定性，并与 AM 波段（530kHz 至 2MHz）等敏感波段重叠。因此，通常选择 10% 至 20% 幅度。

增加频率幅度也有助于降低 EMI 噪声，但要避免相邻谐波开始重叠；重叠发生在接近 fSW / span 的频率处，如图 11 中的红色圆圈所示。

调制频率也是影响 FSS 性能的一个因素。图 12 显示了各种调制频率的 EMI 频谱。对于固 RBW，峰值 EMI 噪声存在一个最佳调制频率，实际中该频率通常在 RBW 附近。在此示例中，RBW 选择为 9kHz，则最佳调制频率也约为 9kHz。如果 RBW 和幅度（或者 ∆f）固定，则可以实现最佳 m。

图 12：各种调制频率的 EMI 频谱

要分析不同调制指数的降噪效果，可以考虑调制指数非常大（见图 13(a)）和调制指数非常小（见图 13(b)）这两种情况。

图 13：调制指数非常大（a）调制指数非常小（b）的 2MHz 方波的 EMI 频谱

对 2MHz 方波进行不同的频率扩展调制，利用信号发生器生成 EMI 频谱，并通过 EMI 接收器进行分析。如果调制指数非常大，则意味着在 EMI 接收器捕获 RBW 相关数据期间 fSW 几乎保持不变，所以频率扩展的效果基本不可见；相反，如果 调制指数很小，则 fSW 只有几次跳变；能量都集中在这几次跳变上，无法均匀分布在整个频段上。

在不同的 RBW 设置下，最佳 m 是不同的。根据 CISPR 规范，对于 B 频段（150kHz 至 30MHz），RBW 等于 9kHz；对于 C 和 D 频段（30MHz 至 1GHz），RBW 等于 120kHz。我们需要权衡在这种情况下的 fM 选择：fM = 9kHz 时，低频段的 EMI 性能得到了优化；而在 fM = 120kHz 时，高频段的 EMI 得到了优化（见图 14）。

图 14：fM = 9kHz（a）和 fM = 120kHz（b）时 2MHz 方波的 EMI 频谱3EMI 检测器

要通过 EMI 测试，峰值和平均 EMI 噪声都必须符合相应的规定。与峰值噪声类似，FSS 参数对平均 EMI 噪声的影响也可以通过信号发生器和 EMI 接收器来检查。表 1 显示了在不同 FSS 参数和噪声检测器下的降噪性能结果比较。

表 1：不同 FSS 参数和噪声检测器下的降噪性能

与峰值噪声不同，由于均值检测器的数据采集间隔明显大于峰值检测器，因此调制指数越大，均值 EMI 噪声的衰减效果越好。即使调制指数较大，能量仍会均匀分布在 FSS 跨度上。在选择 FSS 参数时，根据其对峰值 EMI 噪声的影响选择合适的 fM 更为重要。4双调制 FSS

如前所述，如果调制频率接近 RBW，则在应用 RBW 的频带中可实现最佳频谱扩展性能。图 15a 显示了具有双频分量的调制波形，它可以用于实现高频和低频性能之间的平衡。图 15b 显示了将不同高频/低频分量比的波形导入信号发生器，以供 EMI 接收器做进一步处理。

图 15：双调制 FSS 的调制波形（a）以及信号发生器应用不同比率的调制波形（b）

表 2 给出了双调制频谱扩展的性能。

表 2：双调制 FSS 的性能

与单调制 FSS 相比，双调制技术有助于改善高频带的 EMI 性能，而低频 EMI 性能有所下降。

在电源变换器开关频率越来越高的今天，高频 EMI 问题成为亟待解决的难题。双调制 FSS 技术可提高高频 EMI 噪声的衰减能力，目前已在 MPS 多款电源 IC 中得到应用，如MPQ4371-AEC1。5不同应用中的 FSS 考量

某些应用有自己的敏感频带，如雷达传感器和 D 类音频放大器。采用 FSS 技术不应在这些频带上引起额外的噪声。例如，雷达传感器的 RF 轨对基带（10kHz 至几兆 Hz）中的电源纹波和噪声很敏感，因为这些电源为锁相环（PLL）电路、基带模数转换器（ADC）和合成器等模块供电（见图 16）。

图 16：雷达传感器的基带

图 17a 显示了双 FM 频谱扩展的波形，这是一种通过调制 fM 来降低基带噪声性能影响的方法。图 17b 对比了双 FM FSS 与单 FSS 的频谱表现。其中方波频谱采用固定 fM 进行调制，在 fM 点及其谐波处会出现显著分量，这些分量对基带噪声性能可能造成影响。但 fM 周围的频谱峰值大幅降低，这对降低对雷达传感器等敏感频段的噪声影响非常有利。

图 17：双 FM FSS 调制波形（a），单 FSS 和双 FM FSS 频谱（b）

D 类放大器应用的音频频带（正常音频范围为 20Hz 至 20kHz，高分辨率音频范围为 20Hz 至 40kHz）对电源噪声敏感，因此 FSS 技术不应该影响噪声。该频带不是很宽，减少基带噪声性能影响的一种直接方法是将 fM 设置在音频频带之外。对于 20kHz 频带，fM 通常可以在 35kHz 和 50kHz 之间，对于 40kHz 频带，fM 可以在 70kHz 和 100kHz 之间。

总结

频谱扩展技术是降低 EMI 噪声的有效方法。本文介绍了 FSS 技术相关参数，并提供指导如何选择合适的 FSS 参数。

我们还介绍了仿真、IC 以及信号发生器等评估 FSS 性能的方法。

在一些对噪声敏感的应用中，例如雷达传感器和 D 类音频放大器，更加需要恰当地选择 FSS 参数，以避免影响器件的正常运行。