頻譜擴展（FSS）功能：FSS在現代 SMPS 設計中的優勢及局限性

現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為同時關注娛樂系統，例如多媒體觸屏尺寸和訪問移動網絡的能力。

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，同時為實現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典功能，例如用于無線電調頻和 GPS 導航等功能的經典電氣控制單元 (ECU)。這些都導致 ECU 的數量不斷增加。

汽車電氣化的發展需要高效率、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。

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 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壓器，它通過零延遲(ZDPTM) 控制技術實現高達 11A 的連續輸出電流(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定義。RBW 決定 RBW 濾波器的穩定時間(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 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域。每當 RBW 濾波器內出現峰值時，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抖動功能需考慮以下因素：

tS: 必須考慮RBW的穩定時間。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，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 FSS 的頻率變化值。

表 1：實現衰減的頻率變化值

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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，FSS 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 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變為最小fSW。不過，這可能會導致控制環路不穩定以及輸出電壓(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 穩定性的同時優化衰減。

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。

根據前述的規則，fMOD應在 RBW 的頻率范圍內，以實現最佳衰減。查看 CISPR 25 規范可知，SMPS 開發人員需關注兩個非常重要的頻率區域：

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域進行優化。

為了優化全頻域的 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) 頻譜內均發揮FSS 的優勢。主載波(fMOD(LF))頻率為 15kHz，經拉桿天線測量優化可在 SMPS 頻譜上實現衰減。理想情況下，fMOD(LF)應為 9kHz，但該頻率可能會導致 SMPS 產生可聞噪聲。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（雙錐天線和對數周期天線）的 EMC 測量

從圖 8 和圖 9可以看出，FSS 可以對 SMPS 的頻譜產生巨大的影響。特別是拉桿天線測量，FSS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 的穩定性。

總而言之，FSS的應用應視具體情況而定。調整FSS，以在最敏感的頻率區域內實現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