隨機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(yè)學院，廣東 廣州510640；2.華南理工大學電信學院，廣東 廣州510640）

0 引 言

開關變換器在現(xiàn)代社會中得到廣泛的應用，但是由于其固有的工作特點，本身是很強的電磁干擾源。開關變換器向高頻大功率發(fā)展，電磁污染日益嚴重，因此必須減小開關變換器的電磁干擾，以符合EMC規(guī)范。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，適合作為調制信號。顯然，從最大限度地降低諧波峰值的角度來看，采用具有均勻分布密度的隨機信號能獲得更好的效果。

本文利用計算機產生均勻分布的偽隨機序列，然后通過嵌入式系統(tǒng)產生離散隨機信號，分別加入到PWM芯片的時鐘引腳，實現(xiàn)了隨機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

應用隨機序列｛xk｝以及周期為T的單位脈沖函數(shù)g（t）可以定義調制信號為。當被調制信號是正弦波時，頻率調制的結果可寫成：

式中，f0是載波頻率；Δf是頻率差。此外，調制指數(shù)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(xù)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(shù)足夠大的條件下，式（2）成立，

上式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(shù)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。

顯然，為了更好地降低諧波的峰值功率，必須使各次諧波附近的功率譜盡可能的平坦，這可以采用具有均勻分布密度特性的隨機信號獲得。

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均勻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(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，實驗結果也證實了這一點。

連續(xù)型隨機變量x在［0，1］區(qū)間的均勻分布概率密度函數(shù)為

圖1給出了采用MATLAB數(shù)學工具軟件中的rand函數(shù)生成的、服從［0，1］區(qū)間均勻分布的隨機數(shù)的頻數(shù)直方圖。圖2是采用嵌入式系統(tǒng)產生的均勻分布離散時間隨機信號，由圖可以看出該信號具有均勻分布的統(tǒng)計特性。這里，信號的頻率為1 kHz。

圖1 ［0，1］均勻分布直方圖

圖2 均勻分布離散時間隨機信號

3 實驗驗證

本文設計和試制了一臺隨機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(shù)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＝10 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)、電流內環(huán)的雙環(huán)反饋控制。

把嵌入式數(shù)字系統(tǒng)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［5］，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Ur相加，得到調節(jié)開關頻率的合成信號Uc。Uc通過一個電阻連接到UC3842的RT/CT端，鋸齒波頻率隨Uc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

圖4 開關管Q1漏源電流的功率譜

圖5給出了在普通實驗室環(huán)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，并通過了傳導EMI標準的測試。這里，電源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

4 結 論

將嵌入式數(shù)字系統(tǒng)產生的離散隨機信號加入到常規(guī)PWM芯片的頻率設定端，實現(xiàn)了均勻分布頻率調制開關變換器。實驗結果表明該技術能有效降低各次開關諧波噪聲，并使開關電源易于通過EMI測試，且實現(xiàn)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。綜上所述可知，在開關變換器中隨機頻率調制技術是一個可行和有效的降噪方法，具有實際應用前景。

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［4］ 高金峰，吳振軍，趙 坤.混沌調制技術降低Buck型變換器電磁技術水平的研究［J］.電工技術學報，2003，18（6）：23－27.

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