正态频率调制降低开关变换器电磁干扰的研究

摘要：利用正态频率调制技术从噪声产生源头上降低了开关变换器的电磁干扰。简单地分析了具有不变概率密度分布的离散随机信号频率调制降低开关变换器EMI噪声的原理，并试制了一台正态频率调制开关变换器电源样机。给出了开关管电流信号的频谱以及传导干扰测试的结果。实验结果表明该技术能有效降低开关谐波峰值，使开关变换器易于通过EMI测试，具有应用的前景。
关键词：频率调制；电磁干扰；开关变换器；噪声

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，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，更适合作为调制信号。
文中首先利用计算机产生正态分布伪随机序列，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，实现了正态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：

其中f0是载波频率，△f是频率差。此外，调制指数用m=△f／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m足够大的条件下，下式成立：

式(2)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△fk=k△f、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。

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正态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的(0，1)正态分布概率密度函数为：