頻率抖動技術抑制開關電源噪聲仿真研究

王翠珍，丁國臣，邵 紅，楊曉霞

（海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041）

0 引 言

隨著機載電子設備的種類和數量不斷增加，電子設備的運行速度不斷提高，由于機上空間有限，體積要求越來越小，因此設備中的電源多用開關電源取代線性穩壓電源。開關式穩壓電源重量輕、體積小且效率高，能夠有效適應當今電子設備高密度和高集成度的要求，但與線性穩壓電源相比其結構較復雜，噪聲較大。為了使機載設備能實現更好的電磁兼容，必須設法減少開關電源的噪聲。

1 開關電源的噪聲來源

開關電源是通過調整控制開關元件通斷的方波控制信號的占空比實現輸出電壓的穩定。由于開關電源是使用20 kHz以上的頻率控制功率開關管工作的，電源電路內的電壓和電流變化很大，產生很大的浪涌電壓脈沖和其他各種諧波噪聲，形成一個強烈的干擾源[1]。這個噪聲源非常容易在開關電源內外產生如公共阻抗耦合、電容性耦合、電感性耦合以及電磁輻射耦合等噪聲的傳播。這些噪聲主要分為3類：一是返回噪聲，即返回到電網中的噪聲，這種噪聲對接在電網中的其他電子設備會產生強烈的干擾；二是輸出噪聲，將其輸出到供電的電子電路將影響其正常工作；三是輻射噪聲，高頻噪聲以電磁波的方式輻射出去，干擾其他電路的正常工作。這些內部噪聲的來源如圖1所示。

圖1 內部噪聲示意圖

2 開關脈沖控制信號的頻譜特點

2.1 脈沖控制信號的數學表達式

根據開關電源的基本原理，功率開關管的控制信號是方波信號，其在一個周期內的表達式為：

式中，τ是脈沖控制方波信號占空比；T是周期。因該控制信號為周期函數，所以可以用傅里葉級數展開，即：

從式（2）可以看出，頻率為f的脈沖控制信號中，不僅有頻率為f的正弦信號，還有頻率為2f、3f等高次諧波信號。這些頻率分量中，幅度較大的諧波分量都將對電路造成干擾，而幅度很小的諧波分量對電路的干擾可以忽略，諧波分量幅度越強，干擾就越強。

要解決開關電源中的脈沖控制信號對電路的干擾問題，就必須了解脈沖控制信號參數對信號頻譜分量數量和幅度有何影響，設法將這些影響減到最小，甚至消除。

2.2 脈沖控制信號的頻譜分析

借助于Multisim仿真軟件研究脈沖控制信號中諧波的頻譜分布及占空比等參數對諧波信號頻率和幅度的影響。在Multisim上，利用函數發生器模擬方波信號（頻率20 kHz，振幅20 V）輸出，用光譜分析儀測量方波信號的頻譜，如圖2所示。調整脈沖控制信號的占空比，可以測量出不同占空比時脈沖控制信號的頻譜不同，直流分量、基波以及各次諧波信號的幅度隨占空比的變化而變化，200 kHz頻率范圍內頻譜分量的具體變化情況如表1所示。

圖2 占空比為50%的方波信號頻譜圖

表1 不同占空比的諧波數量與幅度的數據表

當占空比為50%時，諧波數量最少（沒有偶次諧波），基波幅值較高，但諧波幅值較低。隨著占空比的增多或者減小，諧波頻率增多，諧波強度也隨之增加，并且占空比相加為1（如占空比為10%和90%、35%和65%等）的兩個脈沖控制信號的頻譜分布規律相同。從抗干擾的角度來看，希望諧波頻率分量數量少、幅值低，諧波頻率分量數量少，開關電源的干擾源就減少。當諧波頻率分量幅度很低的時候，其強度就無法對電路構成干擾，在選擇方波控制信號時，占空比為50%最佳。

因為脈沖寬度調制型開關穩壓電源的輸出電壓穩定是靠調整占空比來實現，所以脈沖控制信號的占空比會隨著輸出電壓的變化而變化，這樣其諧波的數量和幅度就會隨著占空比的變化而變化，諧波干擾不可避免。

3 頻率抖動技術降低電磁干擾

借助擴譜通信的概念，用頻率抖動技術對控制脈沖進行擴譜，使得諧波頻率的幅度得到衰減，減弱干擾源的信號強度[2-4]。

利用正弦波或者鋸齒波等信號對控制脈沖信號進行頻率調制實現擴譜[5]。首先利用調頻信號源輸出調頻信號，示波器和光譜分析儀分別對信號波形和頻譜進行分析，調頻信號的調制信號為1 kHz的正弦波、載波是20 kHz的正弦波，該信號經過D1和D2兩個性能相同的穩壓二極管限幅得到調頻方波信號。FM信號限幅產生調制方波信號仿真電路與圖形如圖3所示。圖中，調頻信號的調制指數為1，調頻信號經雙向限幅得到的調制方波，其頻譜類似占空比為50%的方波信號的頻譜，但原基波和諧波處譜線的高度略有下降，且不再純凈，周圍譜線增多，在高次諧波分量處譜線數量增加更為明顯。

圖3 FM信號限幅產生調制方波信號仿真電路與圖形

將調制指數調整為10和100，仿真信號波形如圖4所示。從光譜分析儀的仿真結果可以測出，圖4（a）中調制指數為10時，方波譜線數量更多，幅度明顯下降，幅度較高的譜線主要分布在6 kHz到32 kHz的頻率范圍內。而調制指數為100時，譜線主要分布在122 kHz以內的范圍內，幅度較低且比較均勻，如圖（b）所示，說明能量基本均勻分布。可見，調制指數的提高會引起方波信號頻譜的擴展，增加諧波分量數量的同時諧波信號幅度下降，導致能量基本均勻分布。圖中調頻方波信號頻率隨著調制信號規律發生變化，頻率不再是恒定的值，實現頻率抖動。仿真驗證，頻率抖動技術在擴展頻譜的同時降低諧波分量的幅度，當諧波分量的幅度降到電子設備的可接受范圍內不影響電路的正常工作。

圖4 調制方波信號頻譜圖

4 結 論

本文分析了開關電源中控制方波信號的頻譜，研究了其諧波頻率的分布規律，針對控制方波中低次諧波幅度較高，可對電路噪聲造成干擾的實際情況，提出用調制方波作為開關電源中功率元件開關的控制信號，并用仿真軟件對該信號進行仿真分析。分析結果表明，調制方波可以有效實現控制方波信號頻譜擴展，降低各次諧波的幅度，使其對電子電路和設備造成的干擾可以忽略。