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怎样避免噪声对于物联网系统的影响

来源:RFID世界网  2019-09-10

物联网(IOT)设备的一个关键特性是其在低功耗无线链路传送数据的能力。需要被发送和接收的数据的敏感性质意味着措施需要采取以固定链路。以及使用加密通信,窃听的风险可以通过限制网络上的节点的发射功率,并使用编码方案,使位难以从随机噪声区分被降低。

其结果是,射频灵敏度在提高安全性,因为它允许使用低功率水平和更先进的编码方案所采用了很大的作用。然而,对于接收灵敏度的需求放置在可以在装置内可以容忍的噪声级的严格要求。低能量的无线电接收机通常易受窄带被集中在特定的频率,特别是因为该协议会经常使用窄带信道,使得避免干扰更困难的噪声。

虽然这是可以调整的时钟源,使得内部干扰避免产生与特定RF传输频带干扰谐波的主要原因,对灵活性的需求正在此难以在实践中实现。空白无线电系统如失重需求,该射频子系统是频率捷 - 使得在次,接收器需要抗衡本地产生的干扰。其结果是,电磁干扰(EMI),在电路设计的抑制变得越来越重要。

EMI在任何电子系统的主要是电源子系统。大多数设计提供稳定的电源轨的负载(POL)点已经从使用模拟低压差(LDO)稳压器的移动来提供稳定的电源轨开关模式DC / DC转换器。虽然开关型直流/直流转换器提供高效率,最大限度提高,可以从一个单一的电池充电中回收的能量,它们的开关行为可以是噪声的主要。的主要是用来驱动脉冲宽度PWM转换电路的时钟。

PWM控制方法采用的输出电压的一个样本减去这从基准电压建立了小的误差信号。该误差信号进行比较,以由一个振荡器,其通常运行在一个固定的频率驱动一个常规的斜坡信号。比较器输出可以操作电源开关的数字输出。当电路的输出电压变化时,误差信号也改变,从而使比较器的阈值发生变化。因此,输出脉冲宽度也改变。此占空比变化之后移动的输出电压,以减小误差信号到零,这样就完成了控制回路。

从PWM常规脉冲作为转换器每个循环接通或断开,这取决于斜坡信号的方向,使得在两个线路和中性节点在输入级的输入噪声。这个噪声表现跨开关频率的谐波,因此它可以很容易地达到成用于传输和接收RF范围。以减少被耦合到下游电路的噪声的一种方法是使用EMI滤波器。但是,这些将增加成本和重量对整个系统,其中,在小的IoT和可穿戴设备的情况下,常常是不可接受的。

一种日益流行的替代添加组件是要改变基于PWM转换器本身。虽然脉冲需要在一个合理的定期生成,上用于平滑列于电源轨的电压输出端的电容装置的能量的脉冲不需要在精确的时间被提供。相反,驱动PWM电路的时钟信号可被调制以便与该时钟的干扰分布在更宽的带宽。

该技术最早是近20年前的探索作为降低EMI的一种手段,通过惠普的工程师科内利斯·胡克斯特拉在公司的技术刊物记载,主要是为了应对高次谐波的影响,这被证明更加难以盾反,哪些可以的RF信号和接收质量产生不良影响。胡克斯特拉的论文已经成为了所谓的扩频时钟的标准参考。

霍克斯特拉看到更大的效果与高次谐波:“的频率偏差增加线性的绝对值与谐波数,使频谱能量分布在一个较大的范围内,在高次谐波,而滤波器的在其上的光谱能量被测量的宽度是固定的“。

惠普尝试的第一个方案是基于非常简单的方波调制。结果 - 滞后和过冲的电路意味着时钟频率不会简单地两个离散值之间转换,但没有从一个频率的直接换档。尽管该方案的简单,它成功地传播高峰使设备能够通过FCC辐射测试,惠普担心的时候。

谐波扩展的图像

 

怎样避免噪声对于物联网系统的影响

 

图1:通过扩频调制传播谐波。

后来尝试扩频调制都集中在更复杂的时钟控制技术,采用正弦波,三角波调制和随机调制。这些技术现在已经从主系统时钟在对噪声敏感的应用中使用的直流/直流转换器和其它电力系统结转。

正弦波的频谱的图像

 

怎样避免噪声对于物联网系统的影响

 

图2:由一正弦调制器调制的正弦波的频谱。

从尔特的LTC6909扩频振荡器的设计具有直流/直流转换器的工作,如LTM4601以高达10分贝峰值频率提供改进的EMI。对于需要绘制较大功率的量的系统中,LTC6909可以产生多达八个相位同步输出来驱动多个DC / DC转换器。相位同步确保输出纹波,确保将每个转换器的总体时钟周期的不同部分期间切换最小化。

与LTC6909,当启用扩频模式,过滤伪随机噪声被用于调制主时钟信号。该调制产生一个大致平坦频谱,中心在设定频率与带宽等于约百分之二十的中心频率的。用于选择扩频模式MOD引脚的状态决定的调制速率,从FOUT / 16到FOUT / 64。振荡器被优化为500千赫和10兆赫之间的输出频率。

凌力尔特LTC6909的电源调制器的框图。

 

怎样避免噪声对于物联网系统的影响

 

图3:LTC6909电源调制器的框图。

德州仪器的TPS8267x是一个完整的600毫安DC / DC降压转换器适用于低功耗应用,集成了扩频频率调制器。还包括在封装中的开关稳压器,电感器和输入和输出电容,相适应微型SIP设备到空间敏感的IoT的应用程序。

该转换器工作在规范的5.5 MHz的开关频率,以扩展频谱的支持,使该器件能够替代低噪声线性稳压器更好的电源转换效率。扩频架构由大约±10%的标称开关频率的变化的开关频率,采用了三角波调制的频率。

扩频技术可以扩展超过直流/直流转换器,以于需要隔离电源轨的IoT仪器。 Maxim的集成MAX13253是1,推拉,有其自身的内部振荡器,采用单+3 V至+5.5 V电源变压器驱动器。变压器的次级到初级绕组比率定义了输出电压,允许选择几乎任何隔离输出电压与电流隔离的。

集成振荡器驱动一对用引脚可选扩频振荡n沟道功率开关。进一步降低对EMI是通过使用摆率控制的获得。

随着物联网的应用越来越普遍,并与RF灵敏度关注节能在一起就显得更为重要,我们可以预期,如扩频功率控制技术有待进一步探讨。

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