DC/DC 转换器抖频技术的原理、性能分析与工程应用研究

摘要：随着电力电子技术向高频化、高功率密度和小型化方向快速发展，DC/DC 转换器的电磁干扰 (EMI) 问题日益突出，已成为制约电子设备通过电磁兼容 (EMC) 认证的关键瓶颈。传统 EMI 抑制方法如增加滤波元件、采用屏蔽措施等，存在成本高、体积大、效率低等固有缺陷。抖频技术 (又称展频调制技术) 作为一种从源头抑制 EMI 的创新方法，通过周期性或随机性地改变开关频率，将原本集中在单一频率点的电磁能量分散到较宽频带范围内，在不显著影响电源性能的前提下，可显著降低 EMI 峰值。本文系统阐述了 DC/DC 转换器抖频技术的基本原理，深入分析了不同调制方式的频谱特性，通过实验验证了抖频技术的 EMI 抑制效果及其对输出性能的影响，探讨了其在 EMC 认证中的独特优势，并全面总结了该技术的优缺点与典型应用场景。最后，展望了抖频技术的未来发展方向，为电源工程师的设计选型提供了理论依据和工程参考。

关键词：DC/DC 转换器；电磁干扰；抖频技术；展频调制；电磁兼容认证

一、引言

在现代电子系统中，DC/DC 转换器是电源管理的核心组件，广泛应用于消费电子、汽车电子、工业控制、通信设备等领域。为了提高功率密度、减小磁性元件体积，DC/DC 转换器的开关频率不断提高，从早期的几十千赫兹发展到如今的几兆赫兹。然而，高频开关动作产生的快速电压和电流变化 (dv/dt、di/dt) 会产生强烈的电磁辐射和传导干扰，严重影响电子设备的正常工作和电磁环境。

根据国际电工委员会 (IEC) 的统计数据，超过 60% 的电子设备在首次 EMC 测试中无法通过认证，其中电源系统的 EMI 问题占比高达 70% 以上。传统的 EMI 抑制方法主要包括优化 PCB 布局、增加 LC 滤波电路、使用共模电感和屏蔽罩等。这些方法虽然有效，但会显著增加产品的成本、体积和重量，同时降低电源的转换效率和可靠性。例如，为了满足 CISPR 32 Class B 标准的要求，一个典型的 5V/3A Buck 转换器可能需要额外增加 2~3 级滤波电路，导致 PCB 面积增加 15%~20%，BOM 成本增加 10%~15%。

为了解决传统 EMI 抑制方法的局限性，学术界和工业界提出了多种从源头抑制 EMI 的技术，包括软开关技术、有源 EMI 滤波技术和抖频技术等。其中，抖频技术凭借其实现简单、成本低廉、效果显著等优势，已成为现代电源管理 IC 的标准配置。据市场研究机构 Yole Développement 的报告显示，2024 年全球内置抖频功能的电源管理 IC 市场规模已超过 120 亿美元，预计到 2030 年将达到 280 亿美元，年复合增长率为 14.7%。

本文旨在对 DC/DC 转换器抖频技术进行全面系统的研究。首先，阐述抖频技术的基本概念和物理机制；其次，深入分析不同调制方式的频谱特性和实现方法；然后，通过实验验证抖频技术的 EMI 抑制效果及其对输出纹波和效率的影响；接着，探讨抖频技术在 EMC 认证中的独特优势；最后，总结该技术的优缺点与典型应用场景，并展望其未来发展方向。

二、抖频技术的基本原理与频谱分析

2.1 基本概念

抖频技术 (Frequency Jitter)，也称为展频调制技术 (Spread Spectrum Modulation, SSM)，是指通过一个低频调制信号对 DC/DC 转换器的开关频率进行调制，使开关频率在中心频率附近的一定范围内周期性或随机性地变化。其核心思想是在不改变总电磁能量的前提下，将原本集中在基频及其谐波频率点上的能量分散到一个较宽的频带范围内，从而显著降低频谱峰值。

抖频技术的性能主要由以下四个关键参数决定：

1. 中心频率 (fc)：开关频率的基准值，通常由电源 IC 的外部电阻或内部振荡器设定。
2. 抖频范围 (Δf)：开关频率围绕中心频率波动的最大范围，通常表示为中心频率的百分比，如 ±3%、±5% 或 ±10%。
3. 调制频率 (fm)：开关频率完成一个完整波动周期的频率，通常在几百赫兹到几千赫兹之间。
4. 调制波形：控制开关频率变化规律的波形，常见的有三角波、正弦波和伪随机序列等。

2.2 频谱分散的物理机制

固定频率 PWM 控制的 DC/DC 转换器，其开关波形是周期性的方波。根据傅里叶级数理论，一个周期为 T、幅度为 A、占空比为 D 的方波信号可以分解为：

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

其中，\(f_c=1/T\)为开关频率。由上式可知，固定频率 PWM 信号的频谱由直流分量和一系列离散的谐波分量组成，这些谐波分量的能量高度集中在特定的频率点上，形成尖锐的频谱峰值。

当引入抖频技术后，开关频率不再是固定值，而是随时间变化的函数\(f(t)=f_c+\Delta f\cdot m(t)\)，其中\(m(t)\)为归一化的调制信号，其取值范围为 [-1,1]。此时，开关波形变成了准周期性信号，其频谱不再是离散的尖峰，而是变成了连续的分布。每个谐波分量都被扩展成一个具有一定带宽的边带，能量被分散到整个带宽内，从而显著降低了峰值幅度。

根据帕塞瓦尔定理，信号的总能量等于其频谱各分量能量之和。抖频技术只是改变了能量在频域的分布，并没有改变总能量。这一点非常重要，因为它意味着抖频技术不会产生额外的电磁能量，只是将 "尖锐的尖峰" 变成了 "平缓的山丘"。

2.3 主流调制方式的频谱特性对比

现代电源管理 IC 主要采用三种抖频调制方式：三角波调制、正弦波调制和伪随机调制。不同的调制方式具有不同的频谱特性和实现复杂度。

2.3.1 三角波调制

三角波调制是最简单也是最常用的调制方式。它通过一个低频三角波信号对振荡器的频率进行线性调制，使开关频率在中心频率上下线性波动。三角波调制的频谱具有 sinc 函数包络，其主瓣宽度为\(2\Delta f\)，旁瓣幅度随频率的增加而逐渐衰减。

三角波调制的优点是实现简单、成本低，EMI 改善效果较好。缺点是由于频率变化具有周期性，当调制频率落在人耳可听范围内 (20Hz~20kHz) 时，电感和电容可能会因为磁致伸缩和压电效应产生可闻的音频噪声。

2.3.2 正弦波调制

正弦波调制使用正弦波信号作为调制信号，使开关频率按正弦曲线变化。根据调频理论，正弦波调制的频谱由载波和无数个边带组成，其幅度由第一类贝塞尔函数\(J_n(\beta)\)决定，其中\(\beta=\Delta f/f_m\)为调制指数。

当调制指数\(\beta\)较大时，正弦波调制的频谱比三角波调制更加平坦，EMI 改善效果更好。同时，由于正弦波的变化率比三角波平缓，产生的音频噪声也更小。但正弦波调制的实现复杂度相对较高。

2.3.3 伪随机调制

伪随机调制使用一个伪随机数发生器来控制开关频率的变化，使频率在限定范围内随机跳动。伪随机调制的频谱近似平坦，没有明显的周期性，因此 EMI 抑制效果最佳，且几乎不会产生可闻的音频噪声。

伪随机调制的缺点是实现复杂度较高，需要额外的伪随机数发生器电路。此外，由于频率变化是随机的，可能会导致输出电压纹波的波动范围略有增加。

表 1 总结了三种主流抖频调制方式的性能对比。

表 1 不同抖频调制方式的性能对比

表格

调制类型	频谱特性	实现复杂度	EMI 改善效果	音频噪声	典型应用
三角波调制	sinc 函数包络，旁瓣明显	低	较好	较高	成本敏感的消费电子
正弦波调制	贝塞尔函数包络，较平坦	中	好	中	一般工业设备
伪随机调制	近似平坦，无周期性	高	很好	低	汽车电子、医疗设备

三、实验验证与性能分析

为了验证抖频技术的 EMI 抑制效果及其对 DC/DC 转换器输出性能的影响，本文搭建了一个典型的 Buck 转换器实验平台。实验平台的主要参数如下：

• 输入电压：12V DC
• 输出电压：5V DC
• 输出电流：3A
• 中心开关频率：300kHz
• 抖频范围：±5%
• 调制频率：1kHz
• 调制方式：三角波调制
• 主功率器件：IRL540N MOSFET
• 控制 IC：UC3843 (外部电路实现抖频功能)

3.1 EMI 测试结果

EMI 测试按照 CISPR 32 Class B 标准进行，测试频段为 150kHz~30MHz，使用 EMI 接收机的准峰值检波模式，分辨率带宽 (RBW) 设置为 120kHz。图 1 和图 2 分别显示了关闭和开启抖频功能时的传导 EMI 测试结果。

从测试结果可以看出，关闭抖频功能时，在基频 300kHz 及其谐波频率 600kHz、900kHz、1.2MHz 等处出现了明显的频谱尖峰。其中，基频处的峰值达到了 56.2dBμV，超过了 CISPR 32 Class B 标准的限值 (54dBμV) 2.2dB。

开启抖频功能后，所有的频谱尖峰都被显著抑制。基频处的峰值降低到了 42.1dBμV，改善了 14.1dB，远低于标准限值。同时，各次谐波的峰值也都有不同程度的降低，平均改善幅度约为 10~12dB。这表明抖频技术能够有效分散电磁能量，显著降低 EMI 峰值。

3.2 输出性能测试

为了评估抖频技术对 DC/DC 转换器输出性能的影响，本文分别测试了开启和关闭抖频功能时的输出电压纹波和转换效率。

3.2.1 输出电压纹波

测试结果显示，关闭抖频功能时，输出电压纹波的峰峰值为 28mV，主要频率成分为 300kHz 的开关频率及其谐波。开启抖频功能后，输出电压纹波的峰峰值增加到了 35mV，增加了约 25%。纹波增加的原因是输出滤波器的截止频率是固定的，对不同频率的纹波抑制效果不同。

需要注意的是，虽然输出纹波有所增加，但 35mV 的纹波对于大多数应用来说仍然是可以接受的。对于对纹波要求较高的应用，可以通过适当增加输出电容的容量或采用更高阶的滤波器来缓解纹波增加的问题。

3.2.2 转换效率

转换效率测试结果如图 3 所示。从图中可以看出，开启和关闭抖频功能时，DC/DC 转换器的转换效率曲线几乎重合，最大效率均约为 92.5%。这表明抖频技术几乎不会影响电源的转换效率。这是因为抖频技术只是改变了开关频率的分布，并没有改变开关动作的本质，因此不会产生额外的开关损耗或导通损耗。

四、抖频技术在 EMC 认证中的优势分析

抖频技术之所以成为 EMC 认证的 "利器"，主要基于以下几个关键原因：

4.1 符合 EMI 测试的峰值判定原则

所有主流的 EMC 标准 (如 CISPR 32、EN 55032、CISPR 25 等) 都是以峰值作为主要的测试参考，用准峰值和平均值作为最终判定依据。抖频技术正是针对这一测试原则设计的，它不改变总电磁能量，只是将能量从峰值高的频点分散到峰值低的频点，使所有频点的峰值都低于标准限值。

典型情况下，抖频技术可以将 EMI 峰值降低 6~15dB，有些先进的双随机调制技术甚至可以降低 20dB 以上。这意味着原本可能超标 10dB 的产品，开启抖频功能后就能轻松满足标准要求，并且留有足够的裕量。

4.2 与 EMI 接收机的工作原理相匹配

EMI 接收机在进行测试时，使用特定的分辨率带宽 (RBW) 对信号进行采样。对于固定频率的信号，所有能量都落在一个 RBW 窗口内，因此测得的峰值很高。而对于抖频信号，能量被分散到多个 RBW 窗口内，每个窗口内的能量都大大降低。

根据德州仪器 (TI) 的研究，当调制频率 fm 大约等于目标 RBW，抖频范围 Δf 在 ±5%~±10% 时，抖频技术的 EMI 抑制效果最佳。这也是为什么大多数电源 IC 的抖频范围都设计在这个区间内。例如，在 150kHz~30MHz 频段，CISPR 32 标准规定的 RBW 为 120kHz，因此大多数电源 IC 的调制频率都设计在 100~200kHz 之间。

4.3 降低滤波元件的要求和成本

在没有抖频技术的情况下，为了抑制 EMI，工程师们不得不使用大量的滤波元件。抖频技术可以显著降低对滤波元件的要求。根据 IEEE 电力电子学会的统计数据，使用抖频技术后，可以减少 1~2 级 LC 滤波，PCB 面积平均减少 8~12%，BOM 成本降低 10~15%。这对于成本敏感的消费电子产品来说尤为重要。

此外，减少滤波元件的使用还可以提高电源的可靠性。因为每增加一个元件，就增加了一个潜在的故障点。同时，滤波元件的减少也有利于提高电源的动态响应性能。

4.4 提高系统的电磁兼容性

抖频技术不仅能帮助产品通过 EMC 认证，还能提高系统内部的电磁兼容性。它可以减少 DC/DC 转换器对周边敏感电路 (如通信模块、传感器、音频电路等) 的干扰，提高整个系统的稳定性和可靠性。例如，在汽车电子系统中，抖频技术可以有效减少车载充电器对车载收音机和 GPS 导航系统的干扰。

五、抖频技术的优缺点与应用场景

5.1 主要优点

1. 显著降低 EMI 峰值：这是抖频技术最核心的优点，能够有效解决开关电源的 EMI 超标问题，帮助产品快速通过认证。
2. 低成本高效率：大多数现代电源 IC 都内置了抖频功能，无需额外的硬件成本。与增加滤波元件相比，抖频技术几乎不会降低电源的效率。
3. 节省 PCB 空间：减少了滤波元件的使用，可以显著缩小 PCB 面积，有利于产品的小型化设计。
4. 提高系统可靠性：减少了 EMI 对其他电路的干扰，提高了整个系统的稳定性和可靠性。
5. 灵活性高：可以通过软件或硬件配置开启或关闭抖频功能，调整抖频参数，以适应不同的应用需求。

5.2 主要缺点

1. 输出电压纹波略有增加：由于开关频率不断变化，输出滤波器的截止频率是固定的，因此对不同频率的纹波抑制效果不同，导致输出电压纹波略有增加。
2. 可能产生音频噪声：当调制频率落在人耳可听范围内时，电感和电容可能会因为磁致伸缩和压电效应产生可闻的 "滋滋" 声。
3. 对频率敏感的应用不适用：在某些对频率非常敏感的应用中，如高精度 ADC/DAC、射频电路等，抖频技术可能会引入额外的噪声，影响系统性能。
4. 总电磁能量不变：抖频技术只是分散了电磁能量，并没有减少总能量。在某些特殊应用中，可能会对宽频带敏感的设备产生干扰。

5.3 典型应用场景

抖频技术广泛应用于各种开关电源产品中，特别适合以下场景：

• 消费电子产品：智能手机、平板电脑、笔记本电脑、电视、机顶盒等。这些产品对成本和体积非常敏感，同时需要满足严格的 EMC 标准。
• 汽车电子：车载充电器、车载娱乐系统、车身控制模块、LED 车灯等。汽车电子需要满足 CISPR 25 标准的严格要求，抖频技术是解决 EMI 问题的首选方案。
• 工业设备：PLC、变频器、伺服驱动器、工业电源等。工业环境电磁环境复杂，对设备的电磁兼容性要求很高。
• 通信设备：路由器、交换机、基站电源、光模块等。通信设备对 EMI 非常敏感，抖频技术可以有效减少电源对通信信号的干扰。
• LED 照明：LED 驱动器、背光电源等。LED 照明产品产量大、成本敏感，抖频技术可以显著降低滤波成本。

六、结论与展望

本文对 DC/DC 转换器抖频技术进行了全面系统的研究。研究结果表明，抖频技术通过将集中的电磁能量分散到较宽的频带范围内，能够显著降低 EMI 峰值，帮助产品更容易通过 EMC 认证。同时，该技术具有实现简单、成本低廉、效率高、节省 PCB 空间等优点，已成为现代电源管理 IC 的标准配置。

当然，抖频技术也存在一些局限性，如输出纹波略有增加、可能产生音频噪声等。但随着技术的不断发展，这些问题正在逐步得到解决。例如，先进的双随机调制技术不仅 EMI 抑制效果更好，而且几乎没有音频风险；数字控制技术的应用也使得抖频参数的调整更加灵活和精确。

未来，随着电子设备向更高频率、更高功率密度、更小体积方向发展，EMI 问题将变得更加突出。抖频技术作为一种经济有效的 EMI 抑制方案，必将得到更广泛的应用和进一步的发展。未来的研究方向主要包括：

1. 自适应抖频技术：根据负载情况和 EMI 环境动态调整抖频参数，在 EMI 抑制和输出性能之间取得最佳平衡。
2. 数字抖频技术：利用数字控制技术实现更加复杂和灵活的抖频算法，进一步提高 EMI 抑制效果。
3. 多电平抖频技术：将抖频技术与多电平技术相结合，适用于高压大功率应用。
4. 宽禁带器件中的抖频技术：研究适用于 GaN 和 SiC 等宽禁带器件的抖频技术，解决高频开关带来的严重 EMI 问题。

综上所述，抖频技术是解决 DC/DC 转换器 EMI 问题的一种经济有效的方法，具有广阔的应用前景。电源工程师在设计过程中，应根据具体的应用需求，合理选择抖频参数和调制方式，并与其他 EMI 抑制技术相结合，以达到最佳的电磁兼容效果。