正態頻率調制降低開關變換器電磁干擾的研究

丘 嶸，丘水生

（1.廣東科學技術職業學院 廣東 廣州 510640；2.華南理工大學 電信學院，廣東 廣州 510640）

近年來，源自于通信工程的頻率調制技術被認為是一種從噪聲產生源頭上降低開關變換器電磁干擾的有效方法[1-5]，但是頻率調制降低EMI噪聲的效果依賴于調制信號的特性。不同的調制信號有不同的調制效果，為了最大限度地降低被調信號及其各次諧波的幅值，關鍵是選擇合適的調制信號。從這個觀點來看，周期信號調制后被調信號為離散頻譜，而混沌信號和隨機信號均具有寬頻特性，更適合作為調制信號。

文中首先利用計算機產生正態分布偽隨機序列，然后通過嵌入式系統產生離散隨機信號，分別加入到PWM芯片的時鐘引腳，實現了正態頻率調制開關變換器，驗證了其擴頻降噪的可行性。

1 離散隨機信號頻率調制擴展頻譜的原理

其中f0是載波頻率，Δf是頻率差。此外，調制指數用m=Δf/fm表示，其中fm=1/T為調制頻率。由于采用了隨機頻率調制破壞了信號的周期性或準周期性，因此相應的功率譜當然是連續的。文獻[3]的研究結果表明，當利用獨立無關的隨機序列產生的隨機信號作為調制信號調制正弦信號時，在滿足調制指數m足夠大的條件下，下式成立：

式（2）意味著被調制正弦波信號功率譜的形狀與調制信號的分布密度的形狀相同。

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

2 離散隨機信號的產生

由于真實的隨機信號不易產生，這里采用計算機產生正態分布的偽隨機序列數，再通過嵌入式數字系統的D/A轉換器產生離散時間隨機信號。雖然MATLAB生成的是偽隨機序列，但其統計特性是不變的，因此可以認為采用偽隨機序列不影響擴頻的效果，實驗結果也證實了這一點。

連續型隨機變量x的（0，1）正態分布概率密度函數為：

圖1給出了采用MATLAB數學工具軟件中的randn函數生成的、服從N[0，1]分布的正態隨機數的頻數直方圖。圖2是采用嵌入式系統產生的正態分布離散時間隨機信號，由圖可以看出該信號具有正態分布的統計特性。這里，信號的頻率為1 kHz。

圖1 （0，1）正態分布直方圖Fig.1 The histogram for（0， 1） normal distribution

圖2 均勻分布離散時間隨機信號Fig.2 Discrete-time random signal with uniform distribution

3 實驗驗證

文中設計和試制了一臺正態頻率調制反激開關變換器樣機進行實驗，用于驗證上述擴頻降低諧波峰值，從而降低傳導EMI噪聲的理論。隨機開關變換器的設計參數為：未調制開關頻率fs=52 kHz，調制頻率fm是變化的，最大的頻率差Δf=110 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、電流內環的雙環反饋控制。

把嵌入式數字系統產生的離散隨機信號引入PWM方案可用圖3所示的原理圖說明[6]，其中UC3842是TI公司生產的商用PWM芯片，使用它可以簡化設計。正弦信號處理后與確定標稱開關頻率fc的電壓值Vr相加，得到調節開關頻率的合成信號Vc。Vc通過一個電阻連接到UC3842的RT/CT端，鋸齒波頻率隨Vc的幅值周期變化。由于是雙環控制，誤差放大器的輸出與電流信號Is比較，從而產生占空比不變、頻率隨機變化的PWM脈沖信號。

圖3 隨機頻率調制反激變換器原理圖Fig.3 Diagram for the random FM forward power converter

采用Aligent EMC分析儀E7402A測量信號的功率譜和傳導EMI噪聲。圖4給出了隨機頻率調制前后開關管Q1漏源電流的功率譜，其中電流信號是采用2 mA/mV的電流探頭測出輸入到頻譜分析儀，頻譜儀測量的頻率范圍為10～500 kHz，分辨率帶寬為10 Hz。 從圖4（a）和（b）的比較可以看出，隨機頻率調制后開關頻率各次諧波處的功率譜明顯得到了拓寬，諧波峰值減小值大部分達到20 dB以上；諧波階次越高，邊帶越寬，在諧波階次較高時，基本看不到開關諧波尖峰的存在。當諧波階次高于5以上時，高次諧波的功率譜由于邊帶之間互相重疊，各次諧波越來越難區分。由圖4也可以看出，調制后開關諧波的頻譜形狀與調制信號的分布密度形狀相似，這與前面的分析是一致的。

圖4開關管Q1漏源電流的功率譜Fig.4 Power spectrum of the drain-source current of the switching transistor

圖5給出了在普通實驗室環境下，隨機頻率調制前后傳導EMI噪聲的測試結果。圖中同時給出了信息設備的無線電騷擾限值——EN55022極限線，其中上面一條為準峰值測量極限線，下面一條為平均值測量極限線。由圖5可以清楚地看出，調制前某些頻帶的最大值超出了平均值測量極限線，調制后開關變換器傳導干擾噪聲分布改進明顯，通過了傳導EMI標準的測試。在此實驗中，變換器的輸入電路并沒有加入任何EMI濾波器。

圖5 傳導EMI噪聲比較Fig.5 Comparison of conducted EMI noises

4 結 論

將嵌入式數字系統產生的正態分布離散隨機信號加入到常規PWM芯片的頻率設定端，實現了正態分布頻率調制開關變換器。實驗結果表明該技術降低噪聲的效果明顯，并使開關電源易于通過EMI測試，且實現方法簡單。此外，由于頻率調制恒占空比的特性，對輸出電壓的影響不大。由此可知，正態頻率調制開關電源具有良好的應用前景。

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