正態頻率調制降低開關變換器電磁干擾的研究

摘要：利用正態頻率調制技術從噪聲產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制降低開關變換器EMI噪聲的原理，并試制了一臺正態頻率調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，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，更適合作為調制信號。
文中首先利用計算機產生正態分布偽隨機序列，然后通過嵌入式系統產生離散隨機信號，分別加入到PWM芯片的時鐘引腳，實現了正態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：

其中f0是載波頻率，△f是頻率差。此外，調制指數用m=△f／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的。文獻的研究結果表明，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m足夠大的條件下，下式成立：

式(2)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△fk=k△f、調制指數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。

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正態分布的偽隨機序列數，再通過嵌入式數字系統的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。
連續型隨機變量x的(0，1)正態分布概率密度函數為：