隨機(jī)頻率調(diào)制降低開關(guān)變換器電磁干擾的研究

丘 嶸，丘水生

（1.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州510640；2.華南理工大學(xué)電信學(xué)院，廣東 廣州510640）

0 引 言

開關(guān)變換器在現(xiàn)代社會中得到廣泛的應(yīng)用，但是由于其固有的工作特點(diǎn)，本身是很強(qiáng)的電磁干擾源。開關(guān)變換器向高頻大功率發(fā)展，電磁污染日益嚴(yán)重，因此必須減小開關(guān)變換器的電磁干擾，以符合EMC規(guī)范。近年來，源自于通信工程的頻率調(diào)制技術(shù)被認(rèn)為是一種從噪聲產(chǎn)生源頭上降低開關(guān)變換器電磁干擾的有效方法［1－5］，但是頻率調(diào)制降低EMI噪聲的效果依賴于調(diào)制信號的特性。不同的調(diào)制信號有不同的調(diào)制效果，為了最大限度地降低被調(diào)信號及其各次諧波的幅值，關(guān)鍵是選擇合適的調(diào)制信號。從這個觀點(diǎn)來看，周期信號調(diào)制后被調(diào)信號為離散頻譜，而混沌信號和隨機(jī)信號均具有寬頻特性，適合作為調(diào)制信號。顯然，從最大限度地降低諧波峰值的角度來看，采用具有均勻分布密度的隨機(jī)信號能獲得更好的效果。

本文利用計算機(jī)產(chǎn)生均勻分布的偽隨機(jī)序列，然后通過嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生離散隨機(jī)信號，分別加入到PWM芯片的時鐘引腳，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)頻率調(diào)制開關(guān)變換器，驗(yàn)證了其擴(kuò)頻降噪的可行性。

1 離散隨機(jī)信號頻率調(diào)制擴(kuò)展頻譜的原理

應(yīng)用隨機(jī)序列｛xk｝以及周期為T的單位脈沖函數(shù)g（t）可以定義調(diào)制信號為。當(dāng)被調(diào)制信號是正弦波時，頻率調(diào)制的結(jié)果可寫成：

式中，f0是載波頻率；Δf是頻率差。此外，調(diào)制指數(shù)用m＝Δf/fm表示，其中fm＝1/T為調(diào)制頻率。由于采用了隨機(jī)頻率調(diào)制破壞了信號的周期性或準(zhǔn)周期性，因此相應(yīng)的功率譜當(dāng)然是連續(xù)的。文獻(xiàn)［3］的研究結(jié)果表明，當(dāng)利用獨(dú)立無關(guān)的隨機(jī)序列產(chǎn)生的隨機(jī)信號作為調(diào)制信號調(diào)制正弦信號時，在滿足調(diào)制指數(shù)足夠大的條件下，式（2）成立，

上式意味著被調(diào)制正弦波信號功率譜的形狀與調(diào)制信號的分布密度的形狀相同。

當(dāng)被調(diào)制信號是PWM脈沖信號時，它的k次諧波分量可以認(rèn)為是頻率差Δfk＝kΔf、調(diào)制指數(shù)mk＝km的頻率調(diào)制。只要基波的調(diào)制條件成立，那么高次諧波的條件也必然成立。此時，被調(diào)信號各次諧波頻率附近的頻譜形狀均與隨機(jī)信號的概率分布密度的形狀相似。

顯然，為了更好地降低諧波的峰值功率，必須使各次諧波附近的功率譜盡可能的平坦，這可以采用具有均勻分布密度特性的隨機(jī)信號獲得。

2 離散隨機(jī)信號的產(chǎn)生

由于真實(shí)的隨機(jī)信號不易產(chǎn)生，這里采用計算機(jī)產(chǎn)生均勻分布的偽隨機(jī)序列數(shù)，再通過嵌入式數(shù)字系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生離散時間隨機(jī)信號。雖然MATLAB生成的是偽隨機(jī)序列，但其統(tǒng)計特性是不變的，因此可以認(rèn)為采用偽隨機(jī)序列不影響擴(kuò)頻的效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。

連續(xù)型隨機(jī)變量x在［0，1］區(qū)間的均勻分布概率密度函數(shù)為

圖1給出了采用MATLAB數(shù)學(xué)工具軟件中的rand函數(shù)生成的、服從［0，1］區(qū)間均勻分布的隨機(jī)數(shù)的頻數(shù)直方圖。圖2是采用嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生的均勻分布離散時間隨機(jī)信號，由圖可以看出該信號具有均勻分布的統(tǒng)計特性。這里，信號的頻率為1 kHz。

圖1 ［0，1］均勻分布直方圖

圖2 均勻分布離散時間隨機(jī)信號

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文設(shè)計和試制了一臺隨機(jī)頻率調(diào)制反激開關(guān)變換器樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用于驗(yàn)證上述擴(kuò)頻降低諧波峰值，從而降低傳導(dǎo)EMI噪聲的理論。隨機(jī)開關(guān)變換器的設(shè)計參數(shù)為：未調(diào)制開關(guān)頻率fs＝52 kHz，調(diào)制頻率fm是變化的，最大的頻率差Δf＝10 kHz，輸出電壓為20 V，輸出電流為1 A，輸入線電壓是220 V工頻交流電，控制策略為電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)反饋控制。

把嵌入式數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生的離散隨機(jī)信號引入PWM方案可用圖3所示的原理圖說明［5］，其中UC3842是TI公司生產(chǎn)的商用PWM芯片，使用它可以簡化設(shè)計。正弦信號處理后與確定標(biāo)稱開關(guān)頻率fc的電壓值Ur相加，得到調(diào)節(jié)開關(guān)頻率的合成信號Uc。Uc通過一個電阻連接到UC3842的RT/CT端，鋸齒波頻率隨Uc的幅值周期變化。由于是雙環(huán)控制，誤差放大器的輸出與電流信號Is比較，從而產(chǎn)生占空比不變、頻率隨機(jī)變化的PWM脈沖信號。

圖3 隨機(jī)頻率調(diào)制反激變換器原理圖

圖4 開關(guān)管Q1漏源電流的功率譜

圖5給出了在普通實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，隨機(jī)頻率調(diào)制前后傳導(dǎo)EMI噪聲的測試結(jié)果。圖中同時給出了信息設(shè)備的無線電騷擾限值——EN55022極限線，其中上面一條為準(zhǔn)峰值測量極限線，下面一條為平均值測量極限線。由圖5可以清楚地看出，調(diào)制前某些頻帶的最大值超出了平均值測量極限線，調(diào)制后開關(guān)變換器傳導(dǎo)干擾噪聲分布改進(jìn)明顯，并通過了傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)的測試。這里，電源的輸入電路并沒有加入任何EMI濾波器。

圖5 傳導(dǎo)EMI噪聲比較

4 結(jié) 論

將嵌入式數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生的離散隨機(jī)信號加入到常規(guī)PWM芯片的頻率設(shè)定端，實(shí)現(xiàn)了均勻分布頻率調(diào)制開關(guān)變換器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)能有效降低各次開關(guān)諧波噪聲，并使開關(guān)電源易于通過EMI測試，且實(shí)現(xiàn)方法簡單。此外，由于頻率調(diào)制恒占空比的特性，對輸出電壓的影響不大。綜上所述可知，在開關(guān)變換器中隨機(jī)頻率調(diào)制技術(shù)是一個可行和有效的降噪方法，具有實(shí)際應(yīng)用前景。

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