頻率抖動技術(shù)抑制開關(guān)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(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041）

0 引 言

隨著機(jī)載電子設(shè)備的種類和數(shù)量不斷增加，電子設(shè)備的運(yùn)行速度不斷提高，由于機(jī)上空間有限，體積要求越來越小，因此設(shè)備中的電源多用開關(guān)電源取代線性穩(wěn)壓電源。開關(guān)式穩(wěn)壓電源重量輕、體積小且效率高，能夠有效適應(yīng)當(dāng)今電子設(shè)備高密度和高集成度的要求，但與線性穩(wěn)壓電源相比其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，噪聲較大。為了使機(jī)載設(shè)備能實(shí)現(xiàn)更好的電磁兼容，必須設(shè)法減少開關(guān)電源的噪聲。

1 開關(guān)電源的噪聲來源

開關(guān)電源是通過調(diào)整控制開關(guān)元件通斷的方波控制信號的占空比實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。由于開關(guān)電源是使用20 kHz以上的頻率控制功率開關(guān)管工作的，電源電路內(nèi)的電壓和電流變化很大，產(chǎn)生很大的浪涌電壓脈沖和其他各種諧波噪聲，形成一個強(qiáng)烈的干擾源[1]。這個噪聲源非常容易在開關(guān)電源內(nèi)外產(chǎn)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(wǎng)中的噪聲，這種噪聲對接在電網(wǎng)中的其他電子設(shè)備會產(chǎn)生強(qiáng)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(nèi)部噪聲的來源如圖1所示。

圖1 內(nèi)部噪聲示意圖

2 開關(guān)脈沖控制信號的頻譜特點(diǎn)

2.1 脈沖控制信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式

根據(jù)開關(guān)電源的基本原理，功率開關(guān)管的控制信號是方波信號，其在一個周期內(nèi)的表達(dá)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(shù)，所以可以用傅里葉級數(shù)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(qiáng)，干擾就越強(qiáng)。

要解決開關(guān)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(shù)對信號頻譜分量數(shù)量和幅度有何影響，設(shè)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(shù)對諧波信號頻率和幅度的影響。在Multisim上，利用函數(shù)發(fā)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(diào)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(nèi)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(shù)量與幅度的數(shù)據(jù)表

當(dāng)占空比為50%時，諧波數(shù)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(qiáng)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(guī)律相同。從抗干擾的角度來看，希望諧波頻率分量數(shù)量少、幅值低，諧波頻率分量數(shù)量少，開關(guān)電源的干擾源就減少。當(dāng)諧波頻率分量幅度很低的時候，其強(qiáng)度就無法對電路構(gòu)成干擾，在選擇方波控制信號時，占空比為50%最佳。

因?yàn)槊}沖寬度調(diào)制型開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓穩(wěn)定是靠調(diào)整占空比來實(shí)現(xiàn)，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(shù)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(shù)降低電磁干擾

借助擴(kuò)譜通信的概念，用頻率抖動技術(shù)對控制脈沖進(jìn)行擴(kuò)譜，使得諧波頻率的幅度得到衰減，減弱干擾源的信號強(qiáng)度[2-4]。

利用正弦波或者鋸齒波等信號對控制脈沖信號進(jìn)行頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)擴(kuò)譜[5]。首先利用調(diào)頻信號源輸出調(diào)頻信號，示波器和光譜分析儀分別對信號波形和頻譜進(jìn)行分析，調(diào)頻信號的調(diào)制信號為1 kHz的正弦波、載波是20 kHz的正弦波，該信號經(jīng)過D1和D2兩個性能相同的穩(wěn)壓二極管限幅得到調(diào)頻方波信號。FM信號限幅產(chǎn)生調(diào)制方波信號仿真電路與圖形如圖3所示。圖中，調(diào)頻信號的調(diào)制指數(shù)為1，調(diào)頻信號經(jīng)雙向限幅得到的調(diào)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(shù)量增加更為明顯。

圖3 FM信號限幅產(chǎn)生調(diào)制方波信號仿真電路與圖形

將調(diào)制指數(shù)調(diào)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(jié)果可以測出，圖4（a）中調(diào)制指數(shù)為10時，方波譜線數(shù)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(nèi)。而調(diào)制指數(shù)為100時，譜線主要分布在122 kHz以內(nèi)的范圍內(nèi)，幅度較低且比較均勻，如圖（b）所示，說明能量基本均勻分布?？梢姡{(diào)制指數(shù)的提高會引起方波信號頻譜的擴(kuò)展，增加諧波分量數(shù)量的同時諧波信號幅度下降，導(dǎo)致能量基本均勻分布。圖中調(diào)頻方波信號頻率隨著調(diào)制信號規(guī)律發(fā)生變化，頻率不再是恒定的值，實(shí)現(xiàn)頻率抖動。仿真驗(yàn)證，頻率抖動技術(shù)在擴(kuò)展頻譜的同時降低諧波分量的幅度，當(dāng)諧波分量的幅度降到電子設(shè)備的可接受范圍內(nèi)不影響電路的正常工作。

圖4 調(diào)制方波信號頻譜圖

4 結(jié) 論

本文分析了開關(guān)電源中控制方波信號的頻譜，研究了其諧波頻率的分布規(guī)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(shí)際情況，提出用調(diào)制方波作為開關(guān)電源中功率元件開關(guān)的控制信號，并用仿真軟件對該信號進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果表明，調(diào)制方波可以有效實(shí)現(xiàn)控制方波信號頻譜擴(kuò)展，降低各次諧波的幅度，使其對電子電路和設(shè)備造成的干擾可以忽略。