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可变频率切换到电源

EMI 控制： 概述

M. Kuisma

拉彭兰塔理工大学

摘要

传播信号频谱是一种被广泛使用电信应用的技术。可变频率和扩频调制方法也被用于电力电子应用加以改进电磁兼容(EMC)。这篇论文概述在电源变频技术概述与实验结果的电子产品。

介绍

在系统级别，通常有众多的电源带动其他电源或某些地方的系统。目前大多数是开关模式

电源开关(开关电源)。开关电源的流行的背后原因是效率、 大小、 能力在不同的操作电流和电压水平,控制功能和比其他可能的解决方案的价格。 从开关电源上控制电磁干扰(控制EMI)已成为主要问题。当这些转换器连接到配电网络，网络作为一种高效的传播路径转换器产生的EMI。配电网络可以共同配电网络或地方系统级供电的安排。当一些部分线路充当一个天线，高频电磁噪声也可以通过空气传播。这种辐射电磁干扰(EMI辐射)必须考虑当转换器中使用频率很高或电气部分的长度 (即,电线)与使用最大频率的波长进行长时间的比较。

图1A 在单频信号功率谱分布图；

图 1B 扩频信号。虽然总信号功率是

一样的，在这两种情况下，峰值水平

减少（图1B）

因为SMPS，各种EMI减少方案已被提出。这些技术包括随机调制,过滤、变频、软开关。电源转换器降噪中的主要方法到目前为止是滤波器，但有其自身的局限性:尺寸、重量、设计、复杂性、效率、成本等。现代变频(VF)EM1还原技术已经一直在集中做克服筛选器解决方案中面临的问题的研究。本文综述了降低VF电磁干扰(EMI)技术在DC / DC电源的应用。

开关电源降噪中的扩频技术

开关电源通常被贯彻在常数的时钟频率的使用中，例如与传统的脉宽调制（PWM）调制器一样，时钟和谐波频率都是目前被应用的和辐射EMI。开关电源具有周期切换模式中，已包含的 EM1 频谱频率和其谐波频率切换。这些周期噪声组件可能十分有害因为他们重复不断-即使他们有低振幅和能量含量。

在变频技术中，功率(信号)被发送到宽带模式有几个不断变化的频率的功率变换器中。这导致光谱，原来由窄带组成谐波，遍布频率范围。此 VF（可变频率） 操作通常是由某种调制方法实现的。可以控制开关电源的电磁干扰频谱性 图2 升压转换器的简化原理图。电压和电流反馈环路控制部分的方框图介绍传统转换器控制PWM实现

能与调制模式和调制方法。有时这些 VF 技术被称为扩频通信 (SS) 技术。图 1 表示变频扩频信号。

在图 2 中，有简化的 PWM 控制电路开关电源 （升压转换器） 的一种传统实施的系统关系图。开关函数q（t）表示驱动转换器的电源开关随时间变化的波形。通常情况下，如在图2中，会产生切换功能与电源电压和电流的反馈。通常也有一个系统时钟在恒定频率运作。可以看出，在系统时钟频率切换功能，在转换器的EMI频谱。尤其是当转换器在稳态运行模式，切换功能q（t）通常是一个周期函数。

文献中有几个提议，VF-方法减少EMI电源[2-5,7-9]。 这些措施包括：

*准随机生成系统时钟

*调制的随机或半随机系统时钟频率

*调频（FM），系统时钟

*ΣΔ调制

*混沌控制

*迟滞控制。

最常用的可变频率的扩频方法的要点，提出了未来。

系统时钟调制

一个可行的方法是，VF-时钟生成系统时钟调制。这种方法的一个例子是在图3。频率调制是这项计划的最合适的方法之一。 FM一直使用了几十年，因此，频率调制信号频谱的影响是众所周知的。通常情况下，在实际的电源应用中，调制时钟信号送入一个PWM调制电路的时钟输入。这使得它可以使用商用电源控制电路，行之有效的控制设置系统时钟调制。

在电源的应用中，可以找到FM的概述 [3]，其中还包括一些基本信息的调频信号的光谱特性。

图3。在“双调制”的一个例子扩频调制电源。这一原则使用“抖动”时钟

信号产生不同的时钟信号到一个正常的PWM调制器

跳频

传播的EMI频谱的另一个典型的方法是使用随机系统中的时钟频率。例如，图2中的转换器可以转换VF-电源供应器所使用的随机系统时钟。典型的伪随机或伪噪声（PN），用于电信应用的发电机，可以利用系统时钟产生。有了这个额外的PN时钟信号，VF转换器可从传统开关电源与传统的控制设计建造。可以用于离散的数字元件的PN生成，但VF时钟产生电路，可以很容易地集成到同一芯片与电源转换器控制IC，甚至整个电力系统芯片。

两个基本的SS在现代通信产生方法：

*跳频（FH）

*直接序列（DS）

DSSS产生频谱信号以载波频率为中心，一个包络一个（sin(x)/x）2,图4A。在跳频中，产生

频谱包络是不同的。平坦的频谱组成的离散峰，在理想的情况下，放置在所需的频带均匀的代码序列。这是在图4中，DSSS和FHSS信号在频域提出。

直接序列或多或少已被开发为电信的需求，因此，不适合扩频调制电源。事实上，DS使用更多的带宽比信号传输的需要，以实现低平均功率传输在传输信道（比较常见的噪声地板）。这种做法是不适合电源，因为平均转移的电源是主要的“信号”电源，因此，不能减少。

图4A扩频图的主要区别；图4B 跳频信号谱

跳频是为电源应用最合适的方法之一。频率范围和跳频序列可以根据一些已知统计特性的PN序列与最大的频谱效率。此外，要求和限制电源组件和控制器的设计可以考虑。此解决方案的一个缺点是，它需要额外的电路或应用特定的集成电路产生的FHSS信号。

图8加强与50瓦的原型配置的控

图5。测得的电磁频谱（正弦）频

率调制系统时钟，黑色。定参考频率

转换器的频谱是灰色。频谱的形状已

经改变，相比参考整体噪音楼有调制

的情况下上升

基于控制器的方法

第三常见的VF-方法使用“智能”控制系统的设计。 Σ-Δ，迟滞，峰值电流，滑模控制是最常用的非线性控制在电力电子技术。这些非线型控制技术产生的非谐波开关频谱控制器参数的正确选择。

非线性控制设计方法的优点是简单的电路： 只有几个额外的被动组件可以使用甚至基本开关模式电源控制电路由许多 IC 制造商所作的。这种方法的主要缺点是在所有负载条件和参数的变化，设计者必须仔细研究了电路的性能，以确保在任何情况下扩频操作和系统的整体稳定性。

制部分转换建在拉彭兰塔科技大学

通常这些基于控制器的方法要求系统在混沌的模式下操作。混沌可以在非线性系统中松散定义为显然是随机的行为。由于所有开关模式电源电子线路是可以预计电力电子电路与非线性、 混沌行为一些特定的组件和参数值。混沌的操作是确定性但不可预测。这常常误导一些人认为混沌的操作是一个随机的过程。混沌不是随机的过程，但它通常看起来像随机。混沌的行为通常是不可取的但如果可以控制 （或事实上了解） 的混沌行为是非常简单和有效的方式，以减少 EMI 内容的开关电源 [2]。在电力电子技术中可以发现混沌和非线性系统理论的一个非常详细的介绍。

EMI频谱SMPS工图7 被测样机的

图6 测量电磁频谱跳频转换器，

黑色。比在图5调频情况更具有离散

频谱尖峰，平均噪音水平明显高于参

考（灰色）

作在混乱的峰值电流控制模式，黑色。转换器的系统时钟是可见的（尖峰），但由于不断的频谱是连续不同的开关频率。此外，相比参考（灰色）一些

平均噪声电平降低了

实验结果

图2中的升压转换器的原型构建绩效评价。原型构建以至于该控制策略或调制方法是可以改变的。选定的EMI测量图5，6，7，是我对表上的结果和实现的复杂性的一般看法。在图8给出一个原型的照片。

测量从输入电流转换器的EMI性能的原型。与罗德与施瓦茨ESHS 30 EMI

的测试接收机和R＆S EZ17电流钳测试。测试接收机的设置为：线性扫描从9kHz到1兆赫，峰值检波器，中频带宽（IFBW时）200赫兹，加强200赫兹，扫描IFBW时20毫秒的时间。根据所作的测试和模拟得到，通常减少EMI噪声水平约为10分贝，可以实现与变频调制方法。 10分贝的减少也被文献报道，例如，

[9]。

表1 摘要信息选择的变频技术主要性能

结论

变频技术可减少EMI电源使用。开关电源中的传播频谱调制可产生许多不同的方式。一种解决方案是使用可编程器件编程与一些随机或伪随机序列。该序列作为时钟信号的功率转换器或调节系统时钟的电力转换器,从而产生变频驱动信号的电源开关。另一种方法是通过使用“智能”控制系统的设计。

硬件编程的方法的优点是调制方法序列可以为其量身定做最大的光谱性能。这些解决方案的一个缺点是，它需要额外的电路或应用特定的集成电路产生调制信号。非线性控制设计方法的优点是简单的电路。这种方法的主要缺点是，设计者必须认真研究在所有负载条件和参数变化的电路性能，以确保在任何情况下扩频操作和系统的整体稳定性。

参考文献

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