正態(tài)頻率調(diào)制降低開關變換器電磁干擾的研究

摘要：利用正態(tài)頻率調(diào)制技術從噪聲產(chǎn)生源頭上降低了開關變換器的電磁干擾。簡單地分析了具有不變概率密度分布的離散隨機信號頻率調(diào)制降低開關變換器EMI噪聲的原理，并試制了一臺正態(tài)頻率調(diào)制開關變換器電源樣機。給出了開關管電流信號的頻譜以及傳導干擾測試的結果。實驗結果表明該技術能有效降低開關諧波峰值，使開關變換器易于通過EMI測試，具有應用的前景。
關鍵詞：頻率調(diào)制；電磁干擾；開關變換器；噪聲

近年來，源自于通信工程的頻率調(diào)制技術被認為是一種從噪聲產(chǎn)生源頭上降低開關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)制信號的特性。不同的調(diào)制信號有不同的調(diào)制效果，為了最大限度地降低被調(diào)信號及其各次諧波的幅值，關鍵是選擇合適的調(diào)制信號。從這個觀點來看，周期信號調(diào)制后被調(diào)信號為離散頻譜，而混沌信號和隨機信號均具有寬頻特性，更適合作為調(diào)制信號。
文中首先利用計算機產(chǎn)生正態(tài)分布偽隨機序列，然后通過嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生離散隨機信號，分別加入到PWM芯片的時鐘引腳，實現(xiàn)了正態(tài)頻率調(diào)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(diào)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(diào)制信號為。當被調(diào)制信號是正弦波時，頻率調(diào)制的結果可寫成：

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。由于采用了隨機頻率調(diào)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。文獻的研究結果表明，當利用獨立無關的隨機序列產(chǎn)生的隨機信號作為調(diào)制信號調(diào)制正弦信號時，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)制正弦波信號功率譜的形狀與調(diào)制信號的分布密度的形狀相同。
當被調(diào)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△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，被調(diào)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。

2 離散隨機信號的產(chǎn)生
由于真實的隨機信號不易產(chǎn)生，這里采用計算機產(chǎn)生正態(tài)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(zhuǎn)換器產(chǎn)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的(0，1)正態(tài)分布概率密度函數(shù)為：