随机频率调制降低开关变换器电磁干扰的研究

丘 嵘，丘水生

（1.广东科学技术职业学院，广东 广州510640；2.华南理工大学电信学院，广东 广州510640）

0 引 言

开关变换器在现代社会中得到广泛的应用，但是由于其固有的工作特点，本身是很强的电磁干扰源。开关变换器向高频大功率发展，电磁污染日益严重，因此必须减小开关变换器的电磁干扰，以符合EMC规范。近年来，源自于通信工程的频率调制技术被认为是一种从噪声产生源头上降低开关变换器电磁干扰的有效方法［1－5］，但是频率调制降低EMI噪声的效果依赖于调制信号的特性。不同的调制信号有不同的调制效果，为了最大限度地降低被调信号及其各次谐波的幅值，关键是选择合适的调制信号。从这个观点来看，周期信号调制后被调信号为离散频谱，而混沌信号和随机信号均具有宽频特性，适合作为调制信号。显然，从最大限度地降低谐波峰值的角度来看，采用具有均匀分布密度的随机信号能获得更好的效果。

本文利用计算机产生均匀分布的伪随机序列，然后通过嵌入式系统产生离散随机信号，分别加入到PWM芯片的时钟引脚，实现了随机频率调制开关变换器，验证了其扩频降噪的可行性。

1 离散随机信号频率调制扩展频谱的原理

应用随机序列｛xk｝以及周期为T的单位脉冲函数g（t）可以定义调制信号为。当被调制信号是正弦波时，频率调制的结果可写成：

式中，f0是载波频率；Δf是频率差。此外，调制指数用m＝Δf/fm表示，其中fm＝1/T为调制频率。由于采用了随机频率调制破坏了信号的周期性或准周期性，因此相应的功率谱当然是连续的。文献［3］的研究结果表明，当利用独立无关的随机序列产生的随机信号作为调制信号调制正弦信号时，在满足调制指数足够大的条件下，式（2）成立，

上式意味着被调制正弦波信号功率谱的形状与调制信号的分布密度的形状相同。

当被调制信号是PWM脉冲信号时，它的k次谐波分量可以认为是频率差Δfk＝kΔf、调制指数mk＝km的频率调制。只要基波的调制条件成立，那么高次谐波的条件也必然成立。此时，被调信号各次谐波频率附近的频谱形状均与随机信号的概率分布密度的形状相似。

显然，为了更好地降低谐波的峰值功率，必须使各次谐波附近的功率谱尽可能的平坦，这可以采用具有均匀分布密度特性的随机信号获得。

2 离散随机信号的产生

由于真实的随机信号不易产生，这里采用计算机产生均匀分布的伪随机序列数，再通过嵌入式数字系统的D/A转换器产生离散时间随机信号。虽然MATLAB生成的是伪随机序列，但其统计特性是不变的，因此可以认为采用伪随机序列不影响扩频的效果，实验结果也证实了这一点。

连续型随机变量x在［0，1］区间的均匀分布概率密度函数为

图1给出了采用MATLAB数学工具软件中的rand函数生成的、服从［0，1］区间均匀分布的随机数的频数直方图。图2是采用嵌入式系统产生的均匀分布离散时间随机信号，由图可以看出该信号具有均匀分布的统计特性。这里，信号的频率为1 kHz。

图1 ［0，1］均匀分布直方图

图2 均匀分布离散时间随机信号

3 实验验证

本文设计和试制了一台随机频率调制反激开关变换器样机进行实验，用于验证上述扩频降低谐波峰值，从而降低传导EMI噪声的理论。随机开关变换器的设计参数为：未调制开关频率fs＝52 kHz，调制频率fm是变化的，最大的频率差Δf＝10 kHz，输出电压为20 V，输出电流为1 A，输入线电压是220 V工频交流电，控制策略为电压外环、电流内环的双环反馈控制。

把嵌入式数字系统产生的离散随机信号引入PWM方案可用图3所示的原理图说明［5］，其中UC3842是TI公司生产的商用PWM芯片，使用它可以简化设计。正弦信号处理后与确定标称开关频率fc的电压值Ur相加，得到调节开关频率的合成信号Uc。Uc通过一个电阻连接到UC3842的RT/CT端，锯齿波频率随Uc的幅值周期变化。由于是双环控制，误差放大器的输出与电流信号Is比较，从而产生占空比不变、频率随机变化的PWM脉冲信号。

图3 随机频率调制反激变换器原理图

图4 开关管Q1漏源电流的功率谱

图5给出了在普通实验室环境下，随机频率调制前后传导EMI噪声的测试结果。图中同时给出了信息设备的无线电骚扰限值——EN55022极限线，其中上面一条为准峰值测量极限线，下面一条为平均值测量极限线。由图5可以清楚地看出，调制前某些频带的最大值超出了平均值测量极限线，调制后开关变换器传导干扰噪声分布改进明显，并通过了传导EMI标准的测试。这里，电源的输入电路并没有加入任何EMI滤波器。

图5 传导EMI噪声比较

4 结 论

将嵌入式数字系统产生的离散随机信号加入到常规PWM芯片的频率设定端，实现了均匀分布频率调制开关变换器。实验结果表明该技术能有效降低各次开关谐波噪声，并使开关电源易于通过EMI测试，且实现方法简单。此外，由于频率调制恒占空比的特性，对输出电压的影响不大。综上所述可知，在开关变换器中随机频率调制技术是一个可行和有效的降噪方法，具有实际应用前景。

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［4］ 高金峰，吴振军，赵 坤.混沌调制技术降低Buck型变换器电磁技术水平的研究［J］.电工技术学报，2003，18（6）：23－27.

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