正態(tài)頻率調(diào)制降低開關(guān)變換器電磁干擾的研究

摘要：利用正態(tài)頻率調(diào)制技術(shù)從噪聲產(chǎn)生源頭上降低了開關(guān)變換器的電磁干擾。簡單地分析了具有不變概率密度分布的離散隨機(jī)信號(hào)頻率調(diào)制降低開關(guān)變換器EMI噪聲的原理，并試制了一臺(tái)正態(tài)頻率調(diào)制開關(guān)變換器電源樣機(jī)。給出了開關(guān)管電流信號(hào)的頻譜以及傳導(dǎo)干擾測試的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)能有效降低開關(guān)諧波峰值，使開關(guān)變換器易于通過EMI測試，具有應(yīng)用的前景。
關(guān)鍵詞：頻率調(diào)制；電磁干擾；開關(guān)變換器；噪聲

近年來，源自于通信工程的頻率調(diào)制技術(shù)被認(rèn)為是一種從噪聲產(chǎn)生源頭上降低開關(guān)變換器電磁干擾的有效方法，但是頻率調(diào)制降低EMI噪聲的效果依賴于調(diào)制信號(hào)的特性。不同的調(diào)制信號(hào)有不同的調(diào)制效果，為了最大限度地降低被調(diào)信號(hào)及其各次諧波的幅值，關(guān)鍵是選擇合適的調(diào)制信號(hào)。從這個(gè)觀點(diǎn)來看，周期信號(hào)調(diào)制后被調(diào)信號(hào)為離散頻譜，而混沌信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)均具有寬頻特性，更適合作為調(diào)制信號(hào)。
文中首先利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生正態(tài)分布偽隨機(jī)序列，然后通過嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生離散隨機(jī)信號(hào)，分別加入到PWM芯片的時(shí)鐘引腳，實(shí)現(xiàn)了正態(tài)頻率調(diào)制開關(guān)變換器，驗(yàn)證了其擴(kuò)頻降噪的可行性。

1 離散隨機(jī)信號(hào)頻率調(diào)制擴(kuò)展頻譜的原理
應(yīng)用隨機(jī)序列{xk}以及周期為T的單位脈沖函數(shù)g(t)可以定義調(diào)制信號(hào)為。當(dāng)被調(diào)制信號(hào)是正弦波時(shí)，頻率調(diào)制的結(jié)果可寫成：

其中f0是載波頻率，△f是頻率差。此外，調(diào)制指數(shù)用m=△f／fm表示，其中fm=1／T為調(diào)制頻率。由于采用了隨機(jī)頻率調(diào)制破壞了信號(hào)的周期性或準(zhǔn)周期性，因此相應(yīng)的功率譜當(dāng)然是連續(xù)的。文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明，當(dāng)利用獨(dú)立無關(guān)的隨機(jī)序列產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)調(diào)制正弦信號(hào)時(shí)，在滿足調(diào)制指數(shù)m足夠大的條件下，下式成立：

式(2)意味著被調(diào)制正弦波信號(hào)功率譜的形狀與調(diào)制信號(hào)的分布密度的形狀相同。
當(dāng)被調(diào)制信號(hào)是PWM脈沖信號(hào)時(shí)，它的k次諧波分量可以認(rèn)為是頻率差△fk=k△f、調(diào)制指數(shù)mk=km的頻率調(diào)制。只要基波的調(diào)制條件成立，那么高次諧波的條件也必然成立。此時(shí)，被調(diào)信號(hào)各次諧波頻率附近的頻譜形狀均與隨機(jī)信號(hào)的概率分布密度的形狀相似。

2 離散隨機(jī)信號(hào)的產(chǎn)生
由于真實(shí)的隨機(jī)信號(hào)不易產(chǎn)生，這里采用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生正態(tài)分布的偽隨機(jī)序列數(shù)，再通過嵌入式數(shù)字系統(tǒng)的D／A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生離散時(shí)間隨機(jī)信號(hào)。雖然MATLAB生成的是偽隨機(jī)序列，但其統(tǒng)計(jì)特性是不變的，因此可以認(rèn)為采用偽隨機(jī)序列不影響擴(kuò)頻的效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。
連續(xù)型隨機(jī)變量x的(0，1)正態(tài)分布概率密度函數(shù)為：