混沌頻率調(diào)制技術(shù)在商用開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用*

?？∮?，李 忠 ，宋玉宏

(1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 順德 528333；2.FernUniversit?t in Hagen，德國(guó) Hagen 58097)

混沌信號(hào)的偽隨機(jī)性使其在工程領(lǐng)域有很多創(chuàng)新的應(yīng)用，其中比較成功的是用于開(kāi)關(guān)電源的EMI抑制。開(kāi)關(guān)電源因其高效性得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于開(kāi)關(guān)電源的功率器件工作在高頻的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)致了電流與電壓的高頻變化，使得電磁干擾（EMI）成為開(kāi)關(guān)電源亟待解決的一個(gè)重要問(wèn)題?；煦缧盘?hào)的頻譜連續(xù)，具有偽隨機(jī)性，這一特點(diǎn)使得應(yīng)用混沌可以有效地抑制電磁干擾。1995年，HAMILL首次將混沌頻率調(diào)制技術(shù)用于開(kāi)關(guān)變換器[1]，緊接著MARRERO等闡述了混沌用于諧波尖峰抑制的原理[2]，至今，在開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用混沌調(diào)制技術(shù)成為了研究的熱點(diǎn)[3-6]。

然而，研究多數(shù)集中在理想變換器的理論性模型研究，采用分立器件或者是高成本的DSP芯片等進(jìn)行控制電路的設(shè)計(jì)，這與商用開(kāi)關(guān)電源選擇成本低廉的控制芯片作為控制核心相悖。為了探索混沌頻率調(diào)制技術(shù)的實(shí)用性，本文將基于最常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源芯片UC3842設(shè)計(jì)混沌頻率調(diào)制電路，用于控制一個(gè)商用的反激開(kāi)關(guān)電源。最后，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的可行性。

1 混沌頻率調(diào)制技術(shù)控制的反激開(kāi)關(guān)電源

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)使用UC3842作為控制芯片實(shí)現(xiàn)了反激開(kāi)關(guān)電源的控制[7-8]。交流輸入經(jīng)整流后得到高壓直流電壓，UC3842輸出的PWM信號(hào)使得功率開(kāi)關(guān)進(jìn)行高頻的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將高壓直流電壓高頻地導(dǎo)通到高頻變壓器的初級(jí)再斷開(kāi)，在開(kāi)關(guān)截止時(shí)，能量傳遞至高頻變壓器的次級(jí)，經(jīng)整流得到穩(wěn)定的直流輸出，輸出的電壓經(jīng)反饋電路將反饋信號(hào)輸入至UC3842進(jìn)而用于控制PWM信號(hào)占空比。

通常，PWM信號(hào)為固定頻率，則系統(tǒng)輸入電流的頻譜將會(huì)離散化，在開(kāi)關(guān)頻率及其倍頻處諧波分量很大，甚至可能會(huì)超過(guò)電磁干擾的標(biāo)準(zhǔn)。在該設(shè)計(jì)中，將會(huì)使用混沌電路實(shí)現(xiàn)混沌頻率調(diào)制，使得PWM信號(hào)的頻率在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)抖動(dòng)。因此，在總能量不變的情況下，輸入電流的頻率將會(huì)連續(xù)化，處于開(kāi)關(guān)頻率及其倍頻處的諧波尖峰將會(huì)被削減，從而實(shí)現(xiàn)EMI抑制。

1.2 UC3895的振蕩器

如圖1所示，UC3842的時(shí)鐘由可編程振蕩器產(chǎn)生。VREF通過(guò)外置電阻RT給時(shí)間電容CT充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到峰值電壓Vupp時(shí)，則CT對(duì)地放電，直到其電壓等于或低于Vlow，開(kāi)始下個(gè)充放電循環(huán)。CT的電壓呈鋸齒波形態(tài)，在充電時(shí)，時(shí)鐘為高電平，反之為低電平。充放電的時(shí)間依次為：

則開(kāi)關(guān)頻率為：

圖1 UC3842振蕩器原理圖

1.3 混沌頻率調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)為CT添加一個(gè)混沌充電電流，可實(shí)現(xiàn)混沌調(diào)制頻率。具體做法如圖2所示。讓一混沌變化的電壓Vchaos通過(guò)一個(gè)限流電阻 Rchaos連至 CT，CT的充電電流將會(huì)由混沌電流和VREF產(chǎn)生的充電電流疊加而成。在該設(shè)計(jì)中，采用簡(jiǎn)單且成熟的Chua′s電路實(shí)現(xiàn)混沌頻率調(diào)制電路，用于產(chǎn)生Vchaos所設(shè)計(jì)的混沌頻率調(diào)制電路如圖3所示。限幅電路將混沌電壓信號(hào)Vchaos設(shè)置在一定的范圍內(nèi)，其計(jì)算公式如下：

圖2 混沌頻率調(diào)制的UC3842振蕩器原理圖

圖3 混沌頻率調(diào)制電路

電容CT的充放電時(shí)間將會(huì)變?yōu)椋?/p>

鑒于Vchaos為偽隨機(jī)變化的電壓，若設(shè)Vchaos的最大、最小值分別為Vmax、Vmin，則開(kāi)關(guān)頻率將會(huì)在某個(gè)范圍內(nèi)隨機(jī)變化，其最大及最小取值將會(huì)為：

其中Rchaos的大小將決定混沌電流注入的多少，混沌電流注入的越多，開(kāi)關(guān)頻率的隨機(jī)性越強(qiáng)，當(dāng)Rchaos減小時(shí)，頻率的調(diào)制范圍將會(huì)增大。圖4給出了CT電壓在沒(méi)有混沌頻率調(diào)制和有混沌頻率調(diào)制兩種情況下的傅里葉變換的對(duì)比結(jié)果。可以明顯地看出，在混沌頻率調(diào)制下，頻率圍繞中心頻率被擴(kuò)展到了一定的范圍。

圖4 C T電壓的傅里葉變換

2 仿真結(jié)果

本文使用了一個(gè)輸出1.8 A的基于flyback拓?fù)涞碾娫醋鳛閷?shí)驗(yàn)對(duì)象。在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，添加了圖3所示的混沌頻率調(diào)制電路。表1給出了不同的Rchaos對(duì)應(yīng)的輸出電流的紋波，沒(méi)有混沌頻率調(diào)制時(shí)，輸出電流的紋波大小為25 mA；頻率調(diào)制范圍越大，輸出的紋波越大；當(dāng)頻率調(diào)制范圍較小時(shí)，輸出紋波幾乎不會(huì)變化。但是總體來(lái)說(shuō)，紋波的大小都在可以接受的范圍。圖5給出了不同情況下高頻變壓器初級(jí)輸入電壓的波形，表2給出了不同的Rchaos對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)頻率及其倍頻處峰值的削減值。當(dāng)頻率調(diào)制范圍越大時(shí)，諧波越能有效地削減，EMI越能被有效地抑制。因此在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以結(jié)合對(duì)紋波的要求和EMI抑制水平的要求進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的確定。

表1 輸出電壓的紋波

圖5 高頻變壓器初級(jí)輸入電壓的傅里葉變換

表2 輸入電流的EMI抑制情況

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)物實(shí)驗(yàn)采用線(xiàn)性負(fù)載，因此測(cè)量的輸出電壓的波形能直接反映輸出電流的波形，如圖6所示，圖中可見(jiàn)紋波并無(wú)明顯增加。圖7為高頻變壓器初級(jí)電壓的傅里葉變換波形，諧波的尖峰被有效地削減，尤其是高頻部分的抑制效果更加突出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相一致。

圖6 輸出電壓波形

圖7 高頻變壓器初級(jí)輸入電壓的傅里葉變換

本文應(yīng)用混沌頻率調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)了在商用開(kāi)關(guān)電源中的EMI抑制。該方法基于蔡氏電路設(shè)計(jì)了混沌頻率調(diào)制電路，在其工作電源正確連接的基礎(chǔ)上，只需要一個(gè)混沌輸出信號(hào)即可驅(qū)動(dòng)PWM芯片的振蕩器，實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制，并且通過(guò)改變限流電阻的調(diào)節(jié)，可設(shè)定頻率調(diào)制的范圍。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混沌頻率調(diào)制方法可有效用于商用開(kāi)關(guān)電源的EMI抑制。

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