正態(tài)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）

近年來，源自于通信工程的頻率調(diào)制技術(shù)被認為是一種從噪聲產(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，而混沌信號和隨機信號均具有寬頻特性，更適合作為調(diào)制信號。

文中首先利用計算機產(chǎn)生正態(tài)分布偽隨機序列，然后通過嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生離散隨機信號，分別加入到PWM芯片的時鐘引腳，實現(xiàn)了正態(tài)頻率調(diào)制開關(guān)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(diào)制擴展頻譜的原理

其中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。由于采用了隨機頻率調(diào)制破壞了信號的周期性或準周期性，因此相應(yīng)的功率譜當(dāng)然是連續(xù)的。文獻[3]的研究結(jié)果表明，當(dāng)利用獨立無關(guān)的隨機序列產(chǎn)生的隨機信號作為調(diào)制信號調(diào)制正弦信號時，在滿足調(diào)制指數(shù)m足夠大的條件下，下式成立：

式（2）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信號的概率分布密度的形狀相似。

2 離散隨機信號的產(chǎn)生

由于真實的隨機信號不易產(chǎn)生，這里采用計算機產(chǎn)生正態(tài)分布的偽隨機序列數(shù)，再通過嵌入式數(shù)字系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生離散時間隨機信號。雖然MATLAB生成的是偽隨機序列，但其統(tǒng)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(jié)果也證實了這一點。

連續(xù)型隨機變量x的（0，1）正態(tài)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randn函數(shù)生成的、服從N[0，1]分布的正態(tài)隨機數(shù)的頻數(shù)直方圖。圖2是采用嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生的正態(tài)分布離散時間隨機信號，由圖可以看出該信號具有正態(tài)分布的統(tǒng)計特性。這里，信號的頻率為1 kHz。

圖1 （0，1）正態(tài)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(shè)計和試制了一臺正態(tài)頻率調(diào)制反激開關(guān)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(dǎo)EMI噪聲的理論。隨機開關(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=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(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(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Vr相加，得到調(diào)節(jié)開關(guān)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(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、頻率隨機變化的PWM脈沖信號。

圖3 隨機頻率調(diào)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(dǎo)EMI噪聲。圖4給出了隨機頻率調(diào)制前后開關(guān)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(diào)制后開關(guān)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(guān)諧波尖峰的存在。當(dāng)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(qū)分。由圖4也可以看出，調(diào)制后開關(guān)諧波的頻譜形狀與調(diào)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(guān)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(huán)境下，隨機頻率調(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)干擾噪聲分布改進明顯，通過了傳導(dǎo)EMI標(biāo)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(dǎo)EMI噪聲比較Fig.5 Comparison of conducted EMI noises

4 結(jié) 論

將嵌入式數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生的正態(tài)分布離散隨機信號加入到常規(guī)PWM芯片的頻率設(shè)定端，實現(xiàn)了正態(tài)分布頻率調(diào)制開關(guān)變換器。實驗結(jié)果表明該技術(shù)降低噪聲的效果明顯，并使開關(guān)電源易于通過EMI測試，且實現(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。由此可知，正態(tài)頻率調(diào)制開關(guān)電源具有良好的應(yīng)用前景。

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