直流變換器混沌化占空比抑制EMI的應(yīng)用研究

宋玉宏，李忠，?？∮?/p>

(1．順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣東佛山528300；2．德國(guó)哈根大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，威斯特法倫哈根58084)

開關(guān)電源中電流和電壓信號(hào)的快速變化導(dǎo)致了嚴(yán)重的電磁干擾。隨著對(duì)工業(yè)和日常生活中電子與電氣設(shè)備電磁干擾的日愈廣泛關(guān)注，如何有效抑制電磁干擾引起了廣泛的研究，許多研究者已經(jīng)提出了一些方法抑制電磁干擾[2-4]。由于混沌信號(hào)具有偽隨機(jī)、連續(xù)頻譜的特性，通過混沌調(diào)制擴(kuò)展頻譜可以抑制電磁干擾[5-7]。

混沌化擴(kuò)展開關(guān)電源PWM的頻率能有效擴(kuò)展能量頻譜，證實(shí)了能有效減少電磁干擾，已有廣泛報(bào)道[8-9]。本文首次提出混沌化調(diào)制PWM的占空比的控制方法。首先進(jìn)行了混沌化占空比控制抑制EMI的理論分析，并結(jié)合半橋拓?fù)溟_關(guān)電源設(shè)計(jì)了具體方案，給出了仿真波形，進(jìn)行關(guān)鍵信號(hào)在混沌控制的脈寬調(diào)制(CPWM)與常規(guī)的脈寬調(diào)制（PWM）情況下的對(duì)比，然后給出了樣機(jī)進(jìn)行EMI傳導(dǎo)干擾測(cè)試結(jié)果的波形，最后得出結(jié)論。

1 混沌化占空比控制

在混沌化占空比控制中，保持開關(guān)電源PWM信號(hào)的頻率為常數(shù)，僅占空比發(fā)生變化且為混沌變化。則開關(guān)變換器PWM的占空比控制策略為：

式中，d0為PWM基準(zhǔn)開關(guān)占空比；Δd為PWM占空比的偏移量；u1為決定基準(zhǔn)開關(guān)占空比的固定電壓；u2為混沌信號(hào)電壓，它決定了PWM附加占空比Δd的變化規(guī)律。

PWM脈沖波形如圖1所示，其中dk為PWM脈沖的占空比，在混沌化占空比控制中，這個(gè)值是混沌變化的；Ts是脈沖的周期；A為脈沖的幅值。PWM波形函數(shù)用u(t)表示，則在一個(gè)周期內(nèi)的定義如下[10]：

圖1 PWM脈沖波形

對(duì)u(t)進(jìn)行傅里葉變換，傅里葉級(jí)數(shù)系數(shù)為：

式中，n≠0，ωTs=2π，因?yàn)閠k=dkTs，所以u(píng)(t)波形的功率譜密度為：

因dk是脈沖的占空比，其值在0～1之間，不是固定值且按混沌規(guī)律變化，根據(jù)混沌信號(hào)的偽隨機(jī)性，式（4）中混沌化占空比后的PWM波形的功率譜密度連續(xù)化，能量并不集中在特定的頻率點(diǎn)，而是在整個(gè)頻率范圍上進(jìn)行能量分布。

2 半橋開關(guān)變換器應(yīng)用方案

標(biāo)準(zhǔn)半橋開關(guān)變換器的主電路有兩個(gè)上下對(duì)稱的功率開關(guān)管。經(jīng)過功率輸出變壓器可以實(shí)現(xiàn)一路或多路直流輸出，廣泛應(yīng)用于100 W以上中功率的開關(guān)電源上，如計(jì)算機(jī)電源。該拓?fù)浔仨毞乐箖晒艿闹蓖ìF(xiàn)象，即對(duì)兩路PWM信號(hào)要進(jìn)行死期控制。

對(duì)半橋拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)混沌PWM控制，其系統(tǒng)一般包括：產(chǎn)生混沌PWM的模塊、輸出誤差采樣與處理模塊、PWM分配與驅(qū)動(dòng)電路，還必須有用于防止兩管直通的死期控制?？刂圃砜驁D如圖2所示。圖中，鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的是固定頻率信號(hào)的鋸齒波信號(hào)。

運(yùn)算放大器的輸出ua可由下式計(jì)算得到：

式中，k為運(yùn)算放大器的放大增益，a是采樣電路的系數(shù)，混沌信號(hào)uch經(jīng)過線性平移得到uref，即存在：

其中，平移量b是常數(shù)，a1是比例系數(shù)。假設(shè)系統(tǒng)的額定輸出電壓值為U，實(shí)際輸出電壓uo=U+Δu，則式(5)可以表示為：

圖2 半橋拓?fù)浠煦缁疨WM控制原理框圖

運(yùn)算放大器的輸出電壓ua與鋸齒波發(fā)生器的輸出uramp兩者通過比較器C2得到PWM波的脈沖信號(hào)。由于uramp是頻率固定、幅值固定的鋸齒波信號(hào)，故PWM波的占空比變化取決于ua的變化。式(7)中ua由常量部分k(b-aU)和混沌變化量部分k(a1uch-aΔu)兩部分構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)式(1)所表述的混沌化占空比控制的策略。即：

3 仿真及測(cè)試結(jié)果

參考實(shí)際應(yīng)用的半橋拓?fù)溟_關(guān)電源電路，借助常用的PWM專用芯片TL494來進(jìn)行仿真，TL494內(nèi)部已具備死期控制、鋸齒波產(chǎn)生電路[11]，結(jié)合前述方案建立仿真電路模型，如圖3所示。

圖3 仿真電路原理圖

圖3中模塊m1是混沌振蕩器，最近幾十年混沌振蕩器被廣泛地展開研究[12]。在現(xiàn)有的混沌振蕩器中，蔡氏電路、羅倫茲電路以及陳氏振蕩器是最出名的?？紤]到簡(jiǎn)單性和成熟度，在此處采用了蔡氏電路來產(chǎn)生混沌信號(hào)。

取蔡氏電路中C22兩端的電壓即u2作為混沌信號(hào)uch，模塊m2主要實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路輸出直流電壓的反饋，經(jīng)過采樣電阻Rs1、Rs2得到采樣電壓接到運(yùn)算放大器的反相端。模塊m3引入平移的電平，然后通過模塊m4實(shí)現(xiàn)對(duì)混沌信號(hào)uch的線性放大及平移處理。模塊m4的輸出端接到PWM控制芯片TL494的管腳3，即反饋信號(hào)端ucomp。由于正常工作時(shí)該管腳被要求在[0.5，3.5]V，故通過運(yùn)算放大器把信號(hào)uch=u2線性放大并平移得到ua，使其取值范圍為[0.5，3.5]。

3.1 仿真結(jié)果

運(yùn)用軟件Saber Ver.2008建模并仿真，把常規(guī)PWM控制與混沌PWM控制的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。仿真電路相關(guān)元件的參數(shù)如下：

通過對(duì)半橋拓?fù)溟_關(guān)變換器進(jìn)行仿真得到常規(guī)PWM控制及混沌化占空比控制的PWM波形結(jié)果，分別如圖4和圖5所示。對(duì)比圖中開關(guān)管PWM波的FFT波形可以看出，常規(guī)PWM控制下能量集中在基波及諧波頻率點(diǎn)處，而在混沌化占空比控制下，基波及諧波頻率點(diǎn)的幅度明顯降低，能量被擴(kuò)散。

圖4 常規(guī)PWM控制時(shí)PWM波形的FFT

圖5 混沌化占空比控制PWM驅(qū)動(dòng)波形的FFT

圖6 測(cè)試信號(hào)的FFT波形

進(jìn)一步對(duì)高頻變壓器原邊繞組電壓及多路輸出支路的電感電流等關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行仿真測(cè)試并得到FFT波形，如圖6所示。每個(gè)子圖的上曲線是常規(guī)PWM控制時(shí)相應(yīng)信號(hào)的FFT波形，在基波及多次諧波的頻率點(diǎn)具有明顯尖峰；每個(gè)子圖的下曲線是混沌化占空比控制時(shí)相應(yīng)信號(hào)的FFT波形，基波及諧波點(diǎn)處的幅值被削弱。

3.2 EMI測(cè)試

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，把前述的混沌化占空比方案運(yùn)用到計(jì)算機(jī)電源ATX2.0的實(shí)物上，外接混沌信號(hào)產(chǎn)生模塊，經(jīng)過運(yùn)算放大器處理后通過特定管腳接到該電源已有的PWM芯片TL494上。使用型號(hào)為ROHDE&SCHWARZ ESIB26 20 Hz～26.5 GHz的儀器對(duì)該實(shí)物進(jìn)行傳導(dǎo)干擾的測(cè)試。參考測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為CISPR標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定測(cè)量范圍為0.15 MHz～2 MHz，帶寬設(shè)定為200 Hz，步長(zhǎng)為100 Hz，進(jìn)行常規(guī)PWM控制和混沌化占空比兩種狀態(tài)下的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。經(jīng)過圖6(a)、(b)兩個(gè)子圖的比較可以看出，在混沌化占空比的狀態(tài)下，尖峰和紋波明顯減少，最高的峰值下降了5 dB以上，其他很多峰值下降幅度超過10 dB，在整個(gè)頻帶上曲線變得平滑，從而降低了開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾。

理論上證明混沌化占空比控制用于直流變換器可以擴(kuò)展開關(guān)電源能量的頻譜，從而可以抑制電磁干擾。本文針對(duì)半橋拓?fù)溟_關(guān)電源的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)了控制方案。為了驗(yàn)證混沌化占空比控制在直流變換器電磁干擾抑制方面的有效性，采用一個(gè)實(shí)際的開關(guān)電源產(chǎn)品，即臺(tái)式計(jì)算機(jī)電源ATX2.0，針對(duì)該電源系統(tǒng)的PWM控制特點(diǎn)，通過外接混沌信號(hào)電路，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的混沌控制。仿真得到高頻變壓器及電感的關(guān)鍵信號(hào)的波形。FFT波形表明了信號(hào)的高次諧波的幅度得到了削減，并且通過實(shí)測(cè)證明了由高次諧波引起的電磁干擾EMI得到了抑制。

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圖7 EMI傳導(dǎo)干擾測(cè)試

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